電池

電池

各種セルとバッテリー（左上から右下）：AA 2 個、D 1 個、ハンドヘルドアマチュア無線バッテリー 1 個、9 ボルト(PP3) 2 個、AAA 2個、C 1 個、ビデオカメラバッテリー 1 個、コードレス電話バッテリー1 個
タイプ	電源
動作原理	化学反応 起電力
発明家	アレッサンドロ・ボルタ
発明年	1800年; 224年前 （1800）
電子シンボル
回路図における電池の記号。これは、最も初期のタイプの電池であるボルタ電池の回路図として始まりました。

電池は、電気機器に電力を供給するための外部接続^[1]を備えた1 つ以上の電気化学セルで構成される電力源です。電池が電力を供給しているとき、その正極はカソードで、負極はアノードです。 [ ^2]マイナスとマークされた端子は電子の供給源です。電池が外部の電気負荷に接続されると、負に帯電した電子が回路を流れて正極に到達し、正に帯電したイオン、カチオンを引き付けて酸化還元反応を引き起こします。このようにして、高エネルギー反応物が低エネルギー生成物に変換され、自由エネルギーの差が電気エネルギーとして外部回路に供給されます。歴史的に、「電池」という用語は、複数のセルで構成されるデバイスを具体的に指していましたが、使用法は単一のセルで構成されるデバイスも含むように進化しました。^[3]

一次電池（一回使用または「使い捨て」）は、電極材料が放電中に不可逆的に変化するため、一度使用したら廃棄されます。一般的な例としては、懐中電灯やさまざまな携帯電子機器に使用されるアルカリ電池があります。二次電池（充電式）は、印加電流を使用して複数回放電および充電することができ、逆電流によって電極の元の構成を復元できます。例としては、車両に使用される鉛蓄電池や、ノートパソコンや携帯電話などの携帯電子機器に使用されるリチウムイオン電池があります。

電池には、補聴器や腕時計に電力を供給するための小型セルから、極端な例では、電話交換機やコンピュータデータ センターに待機電力や非常用電力を供給する部屋ほどの大きさの巨大な電池バンクまで、さまざまな形やサイズがあります。電池の比エネルギー(単位質量あたりのエネルギー) は、ガソリンなどの一般的な燃料よりもはるかに低いです。自動車では、電気エネルギーを機械的な仕事に変換する電気モーターの効率が内燃機関よりも高いため、この点は多少相殺されます。

ベンジャミン・フランクリンが「バッテリー」という用語を初めて使用したのは、1749年にライデン瓶コンデンサーを連結して電気の実験を行っていたときでした。 ^[4]フランクリンは、複数の瓶をまとめて「バッテリー」と呼びました。これは、一緒に機能する武器を表す軍事用語です。^[5]容器の数を増やすことで、より強力な電荷を蓄えることができ、放電時により多くの電力を利用できるようになります。

イタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタは、 1800年に最初の電気化学電池であるボルタ電池を製作し、その概要を説明した。^[6]これは、塩水に浸した紙の円盤で区切られた銅板と亜鉛板の積み重ねで、長時間にわたって安定した電流を生み出すことができた。ボルタは、電圧が化学反応によるものだとは理解していなかった。彼は、自分の電池が無尽蔵のエネルギー源であると考えており、^{[7]電極の腐食効果は、}マイケル・ファラデーが1834年に示したように、電池の動作に伴う避けられない結果ではなく、単なる厄介物だと考えていた。 ^[8]

初期の電池は実験目的では非常に価値があったが、^[9]実際には電圧が変動し、長時間にわたって大きな電流を供給することはできなかった。 1836年にイギリスの化学者ジョン・フレデリック・ダニエルによって発明されたダニエル電池は、最初の実用的な電源であり、業界標準となり、電気電信ネットワークの電源として広く採用された。^{[10]これは、}硫酸銅溶液を満たした銅鍋に、硫酸と亜鉛電極を満たした素焼きの陶器の容器を浸したもので構成されていた。 ^[11]

これらの湿式電池は液体電解質を使用していたが、正しく取り扱わないと漏れやこぼれを起こしやすかった。多くの電池は部品を入れるのにガラス瓶を使用していたため、壊れやすく、潜在的に危険であった。これらの特性により、湿式電池は携帯機器には不向きであった。19世紀末に、液体電解質をペーストに置き換えた乾電池が発明され、携帯用電気機器が実用的になった。^[12]

真空管装置の電池は、歴史的に「A」電池（フィラメントに電力を供給するため）には湿電池が、「B」電池（プレート電圧を供給するため）には乾電池が使用されていました。^{[引用が必要]}

2010年から2018年の間に、年間のバッテリー需要は30％増加し、2018年には合計180GWhに達しました 。控えめに見ても、成長率は推定25％で維持され、2030年には需要が2600GWhに達すると予想されています。さらに、コスト削減により、需要はさらに3562GWhまで増加すると予想されています。^[13]

電池産業の急成長の重要な理由としては、輸送の電化と、脱炭素化の取り組みに支えられた電力網への大規模な導入が挙げられる。^[13]

分散型電気バッテリーは、電気自動車（V2G）や家庭用エネルギー貯蔵（スマートメータリング付き）で使用され、需要応答のためにスマートグリッドに接続されており、スマート電力供給グリッドの積極的な参加者です。^[14] 部分的に使用済みのバッテリーの段階的使用などの新しい再利用方法は、電気バッテリーの全体的な有用性を高め、エネルギー貯蔵コストを削減し、寿命が長くなるため汚染/排出物の影響も軽減します。バッテリーの段階的使用では、通常5〜8年間の使用後にバッテリー容量が80％未満に低下した車両用電気バッテリーが、バックアップ電源または再生可能エネルギー貯蔵システム用に再利用されます。^[15]

グリッド規模のエネルギー貯蔵は、バッテリーを大規模に使用してグリッドまたは発電所からエネルギーを収集して貯蔵し、後でそのエネルギーを放電して、必要に応じて電気やその他のグリッドサービスを提供することを想定しています。グリッド規模のエネルギー貯蔵（ターンキーまたは分散型）は、スマート電力供給グリッドの重要なコンポーネントです。^[16]

電池は化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。多くの場合、放出される電気エネルギーは、電気化学反応を起こしている金属、酸化物、または分子の凝集^[17]または結合エネルギーの差です。たとえば、エネルギーはZnやLiに蓄えられますが、これらは遷移金属とは異なり、d電子結合によって安定化されていないため、高エネルギー金属です。電池は、電子が回路の外部部分を移動するときにのみ、 エネルギー的に有利な酸化還元反応が発生するように設計されています。

バッテリーはいくつかのボルタ電池で構成されています。各セルは、金属陽イオンを含む導電性電解質で直列に接続された2つの半電池で構成されています。片方の半電池には電解質と負極が含まれ、この負極に陰イオン（負に帯電したイオン）が移動します。もう一方の半電池には電解質と正極が含まれており、この正極に陽イオン（正に帯電したイオン）が移動します。陽イオンは陰極で還元され（電子が追加され）、金属原子は陽極で酸化されます（電子が除去されます）。^[18]一部のセルは、半電池ごとに異なる電解質を使用し、その場合はセパレーターを使用して電解質の混合を防ぎながら、半電池間でイオンを流して電気回路を完成させます。

各半電池は標準に対する起電力（起電力、ボルトで測定）を持っています。 電池の正味起電力は、その半電池の起電力の差です。^[19]したがって、電極の起電力がとの場合、正味起電力は です。言い換えると、正味起電力は半反応の還元電位の差です。^[20]${\displaystyle {\mathcal {E}}_{1}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}_{2}-{\mathcal {E}}_{1}}$

セルの端子間の電気的駆動力またはは端子電圧（差）と呼ばれ、ボルトで測定されます。^[21]充電も放電もしていないセルの端子電圧は開回路電圧と呼ばれ、セルの起電力に等しくなります。 内部抵抗のため、^[22]放電中のセルの端子電圧は開回路電圧よりも小さくなり、充電中のセルの端子電圧は開回路電圧を超えます。^[23]理想的なセルは内部抵抗が無視できるため、使い果たされるまで一定の端子電圧を維持し、その後ゼロに低下します。 このようなセルが 1.5 ボルトを維持し、1クーロンの電荷を生成した場合、完全放電時に 1.5ジュールの仕事を行ったことになります。^[21]実際のセルでは、放電中に内部抵抗が増加し^[22]、放電中に開回路電圧も低下します。電圧と抵抗を時間に対してプロットすると、結果として得られるグラフは通常曲線になります。曲線の形状は、使用される化学物質と内部配置によって異なります。 ${\displaystyle \displaystyle {\Delta V_{bat}}}$${\displaystyle {\mathcal {E}}}$

セルの端子間に発生する電圧は、電極と電解質の化学反応によるエネルギー放出によって決まります。アルカリ電池と亜鉛炭素電池は化学的性質が異なりますが、起電力はほぼ同じ 1.5 ボルトです。同様に、NiCd 電池とNiMH電池も化学的性質が異なりますが、起電力はほぼ同じ 1.2 ボルトです。^[24]リチウム化合物の反応における高い電気化学的電位変化により、リチウム電池の起電力は 3 ボルト以上になります。^[25]

電気伝導性を持つのに十分なイオンを含むほぼすべての液体または湿った物体は、セルの電解質として機能します。目新しいものや科学的なデモンストレーションとして、異なる金属でできた2つの電極をレモン、 [ ^26]、ジャガイモ、^[27]などに挿入して少量の電気を発生させることが可能です。

電池は2枚のコイン（5セント硬貨と1セント硬貨など）と塩水に浸したペーパータオルから作ることができます。このような電池は非常に低い電圧を発生しますが、多数を直列に積み重ねると、短時間であれば通常の電池の代わりに使用できます。^[28]

電池は一次電池と二次電池に分類されます。

• 一次電池は、エネルギーがなくなるまで使用し、その後廃棄されるように設計されています。一次電池の化学反応は一般的に可逆的ではないため、再充電することはできません。電池内の反応物質の供給がなくなると、電池は電流の生成を停止し、使用できなくなります。^[29]
• 二次電池は充電可能であり、つまり、セルに電流を流すことで化学反応を逆転させることができる。これにより元の化学反応物が再生され、何度も使用、充電、再利用することができる。^[30]

例えば電信回線に使われていた一次電池のいくつかのタイプは、電極を交換することで動作を回復した。^[31]二次電池は、活物質の消散、電解質の損失、内部腐食のため、無期限に充電できるわけではない。

一次電池、または一次セルは、組み立てるとすぐに電流を生成できます。これらは、電流消費量が少なく、断続的にしか使用されない、または他の電源が断続的にしか利用できない警報回路や通信回路など、代替電源から十分離れた場所で使用されるポータブルデバイスで最も一般的に使用されます。使い捨て一次セルは、化学反応が容易に可逆的ではなく、活性物質が元の形に戻らない可能性があるため、確実に再充電することはできません。電池メーカーは、一次セルの再充電を試みることを推奨していません。^[32]一般に、これらは充電式電池よりもエネルギー密度が高いですが、 ^{[33]使い捨て電池は、75}オーム(75 Ω)未満の負荷での高電流消費用途ではうまく機能しません。一般的な使い捨て電池の種類には、亜鉛炭素電池とアルカリ電池があります。

二次電池は、二次セルまたは充電式電池とも呼ばれ、初めて使用する前に充電する必要があります。通常、二次電池は放電状態の活性物質で組み立てられています。充電式電池は、放電/使用中に発生する化学反応を逆転させる電流を流すことで (再) 充電されます。適切な電流を供給する装置は充電器と呼ばれます。充電式電池の最も古い形式は鉛蓄電池で、自動車やボートの用途で広く使用されています。この技術では、密閉されていない容器に液体電解質が含まれており、過充電中に発生する水素ガスを安全に拡散させるため、電池を垂直に保ち、換気をよくする必要があります。鉛蓄電池は、供給できる電気エネルギーの量に対して比較的重いです。製造コストが低く、サージ電流レベルが高いため、重量や取り扱いの問題よりも容量 (約 10 Ah 以上) が重要な場合によく使用されます。一般的な用途は現代の自動車のバッテリーで、一般に 450アンペアのピーク電流を供給できます。

ガルバニ電池、電解電池、燃料電池、フロー電池、ボルタ電池など、さまざまな化学プロセスと設計を備えた多くの種類の電気化学セルが製造されています。^[34]

湿式電池には液体電解質があります。液体がすべての内部部品を覆うため、別名は浸水セル、動作中に発生したガスを空気中に逃がすことができるため、通気セルとも呼ばれます。湿式セルは乾式セルの前身であり、電気化学の学習ツールとして一般的に使用されています。電気化学セルの仕組みを実証するために、ビーカーなどの一般的な実験用品を使用して湿式セルを作成できます。濃淡セルと呼ばれる特定のタイプの湿式セルは、腐食を理解する上で重要です。湿式セルには、一次セル（充電不可）または二次セル（充電可能）があります。もともと、ダニエルセルなどの実用的な一次電池はすべて、上部が開いたガラス瓶の湿式セルとして作られました。その他の一次湿式セルには、ルクランシェセル、グローブセル、ブンゼンセル、クロム酸セル、クラークセル、ウェストンセルがあります。ルクランシェセルの化学は、最初の乾式セルに採用されました。ウェットセルは、自動車のバッテリーや産業界では配電装置、通信、大型無停電電源装置の待機電源として今でも使用されていますが、多くの場所ではゲルセルのバッテリーが代わりに使用されています。これらの用途では、鉛蓄電池またはニッケルカドミウム電池が一般的に使用されています。溶融塩電池は、溶融塩を電解質として使用する一次電池または二次電池です。高温で動作するため、熱を保持するために十分に断熱する必要があります。

乾電池はペースト状の電解質を使用し、電流が流れるのに十分な水分のみが含まれています。湿電池とは異なり、乾電池は自由液体を含まないため、こぼれることなくどの向きでも動作し、携帯機器に適しています。比較すると、最初の湿電池は一般に壊れやすいガラス容器で、上部の開口部から鉛棒がぶら下がっており、こぼれないように注意して取り扱う必要がありました。鉛蓄電池は、ゲル電池が開発されるまで、乾電池のような安全性と携帯性を実現していませんでした。一般的な乾電池は亜鉛炭素電池で、乾式ルクランシェ電池と呼ばれることもあり、公称電圧はアルカリ電池と同じ1.5ボルトです(どちらも同じ亜鉛と二酸化マンガンの組み合わせを使用しているため)。標準的な乾電池は、通常円筒形の鍋の形をした亜鉛陽極と、中央の棒の形を​​した炭素陰極で構成されています。電解質は、亜鉛陽極の隣にあるペースト状の塩化アンモニウムです。電解質と炭素陰極の間の残りの空間は、塩化アンモニウムと二酸化マンガンからなる第2のペーストによって占められ、後者は減極剤として機能します。一部の設計では、塩化アンモニウムが塩化亜鉛に置き換えられています。

予備バッテリーは、組み立てていない状態（作動させず、電力を供給しない状態）で長期間（おそらく数年間）保管できます。バッテリーは必要なときに組み立てられ（たとえば、電解液を追加して）、組み立てられたら充電されて作動する準備が整います。たとえば、電子砲の信管用のバッテリーは、銃を発射したときの衝撃で作動する場合があります。加速によって電解液のカプセルが破裂し、バッテリーが作動して信管の回路に電力を供給します。予備バッテリーは通常、長期間（数年間）保管した後、短い耐用年数（数秒または数分）で使用できるように設計されています。海洋学機器や軍事用途の水活性化バッテリーは、水に浸すと作動します。

2017年2月28日、テキサス大学オースティン校は、リチウムイオン電池の発明者ジョン・グッドイナフ率いるチームが開発した新型固体電池に関するプレスリリースを発表した。「この電池は、携帯型モバイル機器、電気自動車、据置型エネルギー貯蔵装置用の、より安全で、より高速に充電でき、より長持ちする充電式電池につながる可能性がある」^[35] 。固体電池は「エネルギー密度が3倍」とも言われており、例えば電気自動車での耐用年数が長くなる。この技術は、海水から抽出したナトリウムなど、より安価で地球に優しい材料を使用するため、より環境に優しいはずである。また、寿命もはるかに長い。^[36]

ソニーは、生体内で観察されるプロセスに似た方法で糖から電気を生成する生物学的電池を開発した。この電池は、炭水化物を分解する酵素を利用して電気を生成する。^[37]

密閉弁式鉛蓄電池（VRLA電池）は、自動車業界では鉛蓄電池湿式電池の代替品として人気があります。VRLA電池は固定化された硫酸電解質を使用しているため、液漏れの可能性が低くなり、保管寿命が延びます。^[38] VRLA電池は電解質を固定します。2つのタイプがあります。

• ゲル電池（または「ゲルセル」）は半固体電解質を使用します。
• 吸収ガラスマット(AGM) バッテリーは、特殊なグラスファイバーマットで電解液を吸収します。

その他の携帯用充電式電池には、携帯電話やノートパソコンなどの用途で便利な密閉型「乾電池」タイプがいくつかあります。このタイプの電池には (電力密度とコストの増加順に)、ニッケルカドミウム(NiCd)、ニッケル亜鉛(NiZn)、ニッケル水素(NiMH)、およびリチウムイオン(Li-ion) 電池があります。リチウムイオンは、乾電池充電式市場で圧倒的に高いシェアを占めています。NiMH は容量が大きいため、ほとんどの用途で NiCd に取って代わりましたが、NiCd は電動工具、双方向ラジオ、医療機器で引き続き使用されています。

2000 年代には、 USBコネクタを介して単三電池を充電できるUSBCELLなどの電子機器を内蔵した電池、現在の電池の約 100 倍の放電率を可能にするナノボール電池、充電状態モニターと過放電による損傷を防ぐ電池保護回路を備えたスマート電池パックなどが開発されました。自己放電が少ない(LSD) ため、出荷前に二次電池を充電できます。

最長かつ最も高い高度の太陽光発電飛行にはリチウム硫黄電池が使用されました。 ^[39]

あらゆる種類の電池は、消費者向けと産業用で製造されています。より高価な産業用電池は、より高い電力対サイズ比、より低い自己放電（使用していないときの寿命が長い）、より高い耐漏液性、および例えば医療用オートクレーブ滅菌に伴う高温多湿に耐える能力などを提供する化学物質を使用している場合があります。^[40]

標準形式のバッテリーは、それを使用するデバイスのバッテリー ホルダーに挿入されます。デバイスが標準形式のバッテリーを使用しない場合は、通常、複数のバッテリーを保持するカスタムバッテリー パックに統合され、バッテリー管理システムやバッテリー アイソレーターなどの機能により、内部のバッテリーが均等に充電および放電されます。

消費者が容易に入手できる一次電池は、電子時計に使用される小さなボタン電池から、信号回路やその他の長時間使用用途に使用される No. 6 電池まで多岐にわたります。二次電池は非常に大きなサイズで製造されており、非常に大きな電池は潜水艦に電力を供給したり、電力網を安定させてピーク負荷を平準化したりすることができます。

2017年現在^{[アップデート]}、世界最大のバッテリーはテスラによって南オーストラリアに構築されました。129MWhを貯蔵できます。^{[41]中国の}河北省にある36MWhの電力を貯蔵できるバッテリーは、2013年に5億ドルの費用で構築されました。^[42]ニッカド電池で構成された別の大型バッテリーは、アラスカ州フェアバンクスにあります。サッカー場よりも大きい2,000平方メートル（22,000平方フィート）をカバーし、重量は1,300トンでした。これは停電の際にバックアップ電源を提供するためにABBによって製造されました。このバッテリーは最大7分間40MWの電力を供給できます。^[43] ナトリウム硫黄電池は風力発電を貯蔵するために使用されてきました。^[44] 25分間11MWを供給できる4.4MWhのバッテリーシステムが、ハワイのアウワヒ風力発電所の出力を安定させています。^[45]

電圧、エネルギー密度、可燃性、利用可能なセル構造、動作温度範囲、保存期間など、多くの重要なセル特性は、バッテリーの化学組成によって決まります。^[46]

バッテリーの特性は、内部の化学組成、電流消費、温度など、さまざまな要因により、負荷サイクル、過充電サイクル、および寿命にわたって変化することがあります。低温では、バッテリーは十分な電力を供給できません。そのため、寒冷地では、車の所有者の中には、車のバッテリーを暖かく保つための小さな電気加熱パッドであるバッテリーウォーマーを取り付ける人もいます。

バッテリーの容量とは、指定された端子電圧を下回らない電圧で供給できる電荷の量です。セルに含まれる電極材料が多いほど、容量は大きくなります。小型セルは、同じ化学組成の大型セルよりも容量は低くなりますが、開回路電圧は同じです。 ^[49]容量は通常、アンペア時間(A·h) (小型バッテリーの場合は mAh) で表されます。バッテリーの定格容量は通常、新品のバッテリーが 20 °C (68 °F) で 20 時間連続供給できる電流に 20 時間を掛けた値として表され、セルあたりの指定された端子電圧以上を維持します。たとえば、定格 100 A·h のバッテリーは、室温で 20 時間にわたって 5 A を供給できます。バッテリーが供給できる蓄電量の割合は、バッテリーの化学組成、電荷が供給される速度 (電流)、必要な端子電圧、保管期間、周囲温度、その他の要因など、複数の要因によって異なります。^[49]

放電率が高いほど、容量は低くなります。^[50]鉛蓄電池の電流、放電時間、容量の関係は、（典型的な電流値の範囲で）ピューケルトの法則によって近似されます。

${\displaystyle t={\frac {Q_{P}}{I^{k}}}}$

どこ

${\displaystyle Q_{P}}$1 アンペアの電流で放電したときの容量です。

${\displaystyle I}$バッテリーから引き出される電流（A）です。

${\displaystyle t}$バッテリーが持続できる時間（時間単位）です。

${\displaystyle k}$1.3 付近の定数です。

充電されたバッテリー (充電式または使い捨て) は、一般に不可逆な副反応により電流を生成せずに電荷キャリアが消費されるため、放電されてはいないものの、時間の経過とともに内部自己放電によって電荷を失います。自己放電の速度はバッテリーの化学的性質と構造によって異なりますが、通常、大幅な損失が発生するまで数か月から数年かかります。バッテリーを再充電すると、追加の副反応により、その後の放電の容量が減少します。十分に再充電すると、基本的にすべての容量が失われ、バッテリーは電力を生成しなくなります。内部エネルギー損失とイオンが電解質を通過する速度の制限により、バッテリー効率が変わります。最小しきい値を超えると、低速放電の方が高速放電よりもバッテリーの容量が多くなります。A·h 定格の異なるバッテリーを取り付けると動作時間が変わりますが、負荷制限を超えない限り、デバイスの動作には影響しません。デジタル カメラなどの高消費負荷は、充電式バッテリーまたは使い捨てバッテリーの総容量を減少させる可能性があります。たとえば、10 時間または 20 時間の放電で 2 A·h と定格されているバッテリーは、記載されている容量が示すように 1 A の電流を 2 時間にわたって維持することはできません。

Cレートは、バッテリーの充電または放電速度の尺度です。これは、バッテリーを流れる電流を、バッテリーが1時間で公称定格容量を発揮する理論的な電流消費量で割ったものとして定義されます。^[51]単位はh ⁻¹です。内部抵抗の損失とセル内の化学反応のため、バッテリーが1時間で銘板の定格容量を発揮することはほとんどありません。通常、最大容量は低いCレートで得られ、高いCレートで充電または放電すると、バッテリーの使用可能寿命と容量が減少します。メーカーは、容量とCレートの曲線を示すグラフを含むデータシートを公開することがよくあります。Cレートは、バッテリーが回路内で安全に供給できる最大電流を示すために、バッテリーの定格としても使用されます。充電式バッテリーの規格では、通常、容量と充電サイクルを4時間 (0.25C)、8時間 (0.125C)、またはより長い放電時間で評価します。コンピュータの無停電電源装置などの特殊な用途向けのタイプでは、製造元によって放電時間が 1 時間 (1C) よりはるかに短いと評価される場合がありますが、サイクル寿命が制限される可能性があります。

2009年に実験的にリン酸鉄リチウム（LiFePO
₄）バッテリー技術は、最も速い充電とエネルギー供給を提供し、10〜20秒ですべてのエネルギーを負荷に放電しました。^[52] 2024年には、5分で10％から80％まで充電できる電気自動車用のプロトタイプバッテリーが実証されました。^{[53]また、中国の企業は、導入した自動車用バッテリーは10.5分で10％から80％まで充電され、これは}テスラの半分の充電に15分かかるのと比較して、現在入手可能なバッテリーの中で最速であると主張しました。^[54]

バッテリー寿命（または寿命）は、充電式バッテリーの場合 2 つの意味を持ちますが、充電式ではないバッテリーの場合は 1 つの意味しかありません。これは、デバイスが完全に充電されたバッテリーで動作できる時間の長さを表すために使用できます。これは、明確に「耐久性」とも呼ばれます。^[55]充電式バッテリーの場合、セルが十分に動作しなくなるまでの充電/放電サイクルの数を表すために使用されることもあります。これは、「寿命」とも呼ばれます。^[56]保管寿命という用語は、製造から使用までの間にバッテリーがパフォーマンスを維持する期間を表すために使用されます。すべてのバッテリーの利用可能な容量は、温度が下がると低下します。今日のほとんどのバッテリーとは対照的に、 1812 年に発明されたザンボニ パイルは、非常に少ない電流（ナノアンペア）しか供給できないにもかかわらず、修理や再充電なしで非常に長い耐用年数を提供します。オックスフォード電気ベルは、ザンボニ パイルであると考えられるオリジナルのバッテリー ペアで、1840 年以来ほぼ継続的に鳴り続けています。^[要出典]

使い捨て電池は、通常、室温（20～30℃）で保管すると、1年で元の充電量の8～20%を失います。^[57]これは「自己放電」率として知られており、負荷がかかっていない場合でもセル内で発生する電流を生成しない「副」化学反応によるものです。低温で保管された電池では副反応率は低下しますが、凍結により損傷を受けるものもあり、冷蔵庫で保管しても保存期間を大幅に延ばすことはできず、結露による損傷のリスクがあります。^[58]古い充電式電池は、使い捨てのアルカリ電池、特にニッケルベースの電池よりも急速に自己放電します。充電したばかりのニッケルカドミウム（NiCd）電池は、最初の24時間で充電量の10%を失い、その後は1か月に約10%の割合で放電します。ただし、新しい低自己放電ニッケル水素（NiMH）電池と最新のリチウム設計では、自己放電率は低くなります（ただし、一次電池よりも高い）。

電池プレート上の活物質は、充電と放電のサイクルごとに化学組成が変化します。活物質は物理的な体積変化によって失われる可能性があり、電池の再充電回数がさらに制限されます。ほとんどのニッケルベースの電池は購入時に部分的に放電されており、初めて使用する前に充電する必要があります。^[59]新しいNiMH電池は購入時にすぐに使用でき、1年間で15％しか放電しません。^[60]

充電・放電サイクルごとに劣化が起こります。劣化は通常、電解質が電極から移動したり、活性物質が電極から剥離したりすることで起こります。低容量の NiMH バッテリー (1,700～2,000 mA·h) は約 1,000 回充電できますが、高容量の NiMH バッテリー (2,500 mA·h 以上) は約 500 サイクル持続します。 ^[61] NiCd バッテリーは、内部抵抗が使用可能な値を超えて永久に増加するまで 1,000 サイクルの定格が付けられる傾向があります。急速充電は部品の変化を増加させ、バッテリーの寿命を短くします。^[61]充電器がバッテリーが完全に充電されたことを検出できない場合は、過充電の可能性が高く、バッテリーが損傷する可能性があります。^[62]

NiCdセルは、特定の繰り返し方法で使用すると、「メモリ効果」と呼ばれる容量の低下を示すことがあります。^[63]この効果は簡単な手順で回避できます。NiMHセルは化学的には似ていますが、メモリ効果の影響を受けにくいです。^[64]

自動車用 鉛蓄電池は、振動、衝撃、温度範囲によるストレスに耐えなければなりません。これらのストレスと鉛板の硫酸化のため、通常の使用で 6 年以上持続する自動車用バッテリーはほとんどありません。 ^[65]自動車用始動( SLI :始動、照明、点火)バッテリーには、電流を最大化するために多くの薄い板があります。一般に、板が厚いほど寿命が長くなります。通常、充電前にわずかに放電するだけです。電動ゴルフカートで使用されるような「ディープサイクル」鉛蓄電池は、寿命を延ばすためにはるかに厚い板を持っています。^[66]鉛蓄電池の主な利点は低コストです。主な欠点は、一定の容量と電圧に対してサイズと重量が大きいことです。鉛蓄電池は、容量の 20% 未満に放電してはいけません。^[67]充電時に内部抵抗により熱が発生し、損傷するからです。ディープサイクル鉛蓄電池システムでは、バッテリーの寿命を縮めるような損傷を防ぐために、低充電警告灯や低充電電力遮断スイッチがよく使用されます。^[68]

電池の寿命は、冷蔵庫や冷凍庫などの低温で保管することで延ばすことができ、副反応が遅くなる。このような保管により、アルカリ電池の寿命は約 5% 延ばすことができ、充電式電池は種類にもよりますが、より長く充電を保持できます。^[69]最大電圧に達するには、電池を室温に戻す必要があります。アルカリ電池を 0 °C で 250 mA で放電すると、20 °C の半分の効率しかありません。^[33]デュラセルなどのアルカリ電池メーカーは、電池を冷蔵保存することを推奨していません。^[32]

バッテリーの爆発は、通常、一次（充電不可能な）バッテリーの充電を試みたり、ショートしたりするなど、誤用や故障が原因で発生します。

バッテリーが過度な速度で充電されると、水素と酸素の爆発性ガス混合物が、バッテリー内部から逃げるよりも速く（例えば、内蔵の通気口から）生成される可能性があり、圧力が高まり、最終的にはバッテリーケースが破裂する。極端な場合には、バッテリーの化学物質がケースから激しく噴き出し、けがをする可能性がある。専門家による問題の概要によると、このタイプは「液体電解質を使用して、リチウムイオンを陽極と陰極の間で輸送する。バッテリーセルが急速に充電されると、ショートを引き起こし、爆発や火災につながる可能性がある」。^{[70] [71]}車のバッテリーは、ショートによって非常に大きな電流が発生したときに最も爆発しやすい。このようなバッテリーは、過充電されると（電解質内の水の電気分解により）非常に爆発性の高い水素を生成する。通常の使用では、過充電の量は通常非常に少なく、水素もほとんど生成されず、すぐに消散する。しかし、車を「ジャンプスタート」する場合、高電流によって大量の水素が急激に放出され、たとえばジャンパーケーブルを外すときに近くの火花によって爆発的に発火する可能性があります。

過充電（バッテリーの電気容量を超えて充電しようとすること）は、液漏れや回復不能な損傷に加えて、バッテリーの爆発につながる可能性もあります。また、過充電されたバッテリーが後で使用される充電器やデバイスに損傷を与える可能性もあります。

バッテリーを焼却処分すると、密閉されたケース内に蒸気が発生し、爆発する可能性があります。

バッテリーの化学物質の多くは、腐食性、毒性、またはその両方を持っています。自然発生的または事故により漏れが発生した場合、放出された化学物質は危険です。たとえば、使い捨てバッテリーでは、反応物として、また他の試薬を入れる容器として亜鉛の「缶」がよく使用されます。この種のバッテリーが過放電すると、容器の残りの部分を構成するボール紙やプラスチックから試薬が漏れ出すことがあります。化学物質が漏れると、バッテリーが電力を供給する機器が損傷したり、機能しなくなる可能性があります。このため、多くの電子機器メーカーは、長期間使用しない機器からバッテリーを取り外すことを推奨しています。

多くの種類の電池は、電極や電解質として鉛、水銀、カドミウムなどの有毒物質を使用しています。電池の寿命が尽きると、環境へのダメージを防ぐために処分しなければなりません。^{[72]電池は}電子廃棄物（e-waste）の一種です。e -wasteリサイクルサービスでは有毒物質を回収し、新しい電池に使用することができます。^[73]米国では毎年約30億個の電池が購入され、そのうち約179,000トンが全国の埋め立て地に廃棄されています。^[74]

電池は飲み込むと有害または致命的となることがある。^[75]小さなボタン電池は、特に幼児が飲み込むことがある。消化管内にある間、電池の放電により組織が損傷することがある。^[76]このような損傷は重篤な場合があり、死に至ることもある。飲み込んだディスク電池は、消化管に詰まらない限り、通常は問題を引き起こさない。ディスク電池が最もよく詰まる場所は食道であり、臨床的後遺症を引き起こす。食道を通過した電池が他の場所に詰まる可能性は低い。ディスク電池が食道に詰まる可能性は、患者の年齢と電池のサイズによって決まる。年長児は、21～23 mmより小さい電池では問題にならない。電池によって発生する電流によって水酸化ナトリウムが発生するため（通常は陽極で）、液化壊死が起こることがある。摂取後6時間以内に穿孔が起こることもある。^[77]

一部の電池メーカーは、飲み込みを防止するために電池に不快な味を加えている。^[78]

電池に関する法律には、安全な廃棄やリサイクルなどのテーマが含まれます。

米国では、 1996年に制定された水銀含有および充電式電池管理法により、水銀含有電池の販売が禁止され、充電式電池の統一表示要件が制定され、充電式電池は簡単に取り外せることが義務付けられました。^[79]カリフォルニア州とニューヨーク市は、充電式電池を固形廃棄物として処分することを禁止しています。^{[80] [81]}充電式電池業界は、米国とカナダで全国的なリサイクルプログラムを運営しており、地元の小売店に回収拠点を設けています。^[82]

欧州連合の電池指令にも同様の要件があり、電池のリサイクルの増加と電池リサイクル方法の改善に関する研究の促進が求められている。^[83]この指令に従って、EU内で販売されるすべての電池には「回収シンボル」（×印の付いた車輪付きゴミ箱）が付けられなければならない。これは角柱型電池の表面積の少なくとも3％、円筒形電池の表面積の1.5％を覆う必要がある。すべての包装にも同様の表示が付けられなければならない。^[84]

近年、リチウムイオン電池を使用した機器のリコールが頻繁に行われており、事故や故障、時には発火や爆発も報告されている。^{[85] [86]}

2022年12月9日、欧州議会は、2026年以降、EU内で販売される（主に湿った状態で使用されない）すべての電気製品を、消費者が自分で簡単にバッテリーを取り外して交換できるように設計することを製造業者に義務付ける合意に達した。^{[87] [88]}

• バッテリーシミュレーター
• ナノワイヤ電池
• スーパーバッテリーを探せ

• ディングランド、ローレル他 (2007)。化学：物質と変化。ニューヨーク：グレンコー/マグロウヒル。ISBN 978-0-07-877237-5。第21章（662～695ページ）は電気化学についてです。
• Fink, Donald G. ; H. Wayne Beaty (1978)。電気技術者のための標準ハンドブック、第 11 版。ニューヨーク: McGraw- Hill。ISBN 978-0-07-020974-9。
• ナイト、ランドール D. (2004)。科学者とエンジニアのための物理学: 戦略的アプローチ。サンフランシスコ: ピアソン エデュケーション。ISBN 978-0-8053-8960-9。第28章～第31章（879～995ページ）には電位に関する情報が含まれています。
• リンデン、デイビッド、トーマス・B・レディ（2001年）。『バッテリーハンドブック』ニューヨーク：マグロウヒル。ISBN 978-0-07-135978-8。
• Saslow, Wayne M. (2002)。 『電気、磁気、光』トロント: Thomson Learning。ISBN 978-0-12-619455-5。第 8 ～ 9 章 (336 ～ 418 ページ) には、バッテリーに関する詳細情報が記載されています。
• ターナー、ジェームズ・モートン。『Charged: A History of Batteries and Lessons for a Clean Energy Future』（ワシントン大学出版、2022年）。オンラインレビュー

• ウィキメディア・コモンズの電池関連メディア
• 充電式でない電池（2013年10月22日アーカイブ）
• HowStuffWorks: 電池の仕組み
• その他のバッテリーセルタイプ
• DoITPoMS 教育学習パッケージ - 「バッテリー」