充電式バッテリー

データセンターの無停電電源装置に使用されるバッテリーバンク
充電式リチウムポリマー携帯電話バッテリー
充電式単三電池および単四電池用の一般的な消費者向け充電器

充電式電池、蓄電池、または二次電池（正式にはエネルギー蓄積装置の一種）は、充電、放電、そして何度も再充電が可能な電池の一種です。これは、完全に充電された状態で供給され、使用後に廃棄される使い捨て電池や一次電池とは対照的です。1つまたは複数の電気化学セルで構成されています。「蓄電池」という用語は、可逆的な電気化学反応によってエネルギーを蓄積・貯蔵することから用いられています。充電式電池は、ボタン電池から配電網の安定化のために接続されるメガワットシステムまで、様々な形状とサイズで製造されています。鉛蓄電池、亜鉛空気電池、ニッケルカドミウム電池（NiCd）、ニッケル水素電池（NiMH）、リチウムイオン電池（Li-ion）、リン酸鉄リチウム電池（LiFePO 4 ）、リチウムイオンポリマー電池（Li-ionポリマー）など、様々な電極材料と電解質の組み合わせが用いられます。

充電式電池は一般的に使い捨て電池よりも初期費用は高くなりますが、交換が必要になるまで何度も安価に充電できるため、総所有コストと環境への影響ははるかに低くなります。一部の充電式電池は使い捨て電池と同じサイズと電圧で販売されており、互換性があります。産業界がより優れた電池の開発に注力する中、世界中で数十億ドル規模の研究が電池の改良に投資されています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

アプリケーション

組み立て前の円筒形セル（18650）。数千個のリチウムイオン電池がテスラ モデルSのバッテリーを構成している（ギガファクトリー参照）。
リチウムイオン電池監視電子機器（過放電保護）
膨張したリチウムイオン携帯電話バッテリー、監視電子機器の不具合により損傷した可能性あり

充電式電池を使用する機器には、自動車スターター、携帯型民生機器、軽車両（電動車椅子、ゴルフカート、電動自転車、電動フォークリフトなど）、道路車両（乗用車、バン、トラック、オートバイ）、電車、小型飛行機、工具、無停電電源装置（UPS） 、蓄電池発電所などがあります。内燃機関とバッテリーを組み合わせたハイブリッド自動車や電気自動車における新たな用途は、コスト、重量、サイズを削減し、寿命を延ばす技術を推進しています。[ 4 ]

古い充電式バッテリーは比較的急速に自己放電する ため、初めて使用する前に充電する必要があります。一部の新しい低自己放電 NiMH バッテリーは数か月間充電状態が維持され、通常は工場出荷時に定格容量の約 70% まで充電された状態で販売されます。

蓄電池式発電所は、充電式バッテリーを負荷平準化（需要の低い時間帯に電力を蓄え、ピーク時に使用すること）と再生可能エネルギー利用（例えば、日中に太陽光発電パネルで発電した電力を蓄え、夜間に使用すること）に使用します。負荷平準化により、発電所が発電できる最大電力が削減され、資本コストとピーク対応型発電所の必要性が軽減されます。

リサーチ・アンド・マーケッツのレポートによると、アナリストは世界の充電式バッテリー市場が2018年から2022年の間に8.32%のCAGRで成長すると予測しています。[ 5 ]

小型の充電式バッテリーは、携帯型電子機器、電動工具、家電製品などに電力を供給できます。高出力バッテリーは、スクーターから機関車、船舶に至るまで、電気自動車に電力を供給します。分散型発電システムや独立電源システムにも使用されます。

充電と放電

充電式単三電池用のソーラー充電器

充電中、正極活物質は酸化されて電子を放出し、負極活物質は還元されて電子を吸収します。これらの電子が外部回路に電流の流れを形成します。電解質は、リチウムイオン電池やニッケルカドミウム電池のように電極間の内部イオンの流れを単純に緩衝する役割を果たす場合もあれば、鉛蓄電池のように電気化学反応に積極的に関与する場合もあります。

充電式バッテリーの充電に必要な電力は、通常、AC主電源を使用するバッテリー充電器から供給されますが、車両の12ボルトDC電源コンセントを使用できる充電器もあります。電流を強制的に流すには、電源の電圧がバッテリーの電圧よりも高くなければなりませんが、高すぎるとバッテリーが損傷する可能性があります。

充電器によるバッテリーの充電には数分から数時間かかります。電圧や温度を検知できない低速の「ダム」充電器は、充電速度が低く、通常、フル充電までに14時間以上かかります。急速充電器は、モデルによって異なりますが、通常2～5時間でセルを充電できます。最速の充電器では、わずか15分で充電できます。急速充電器は、セルがフル充電に達したことを複数の方法で検知し（端子電圧の変化、温度など）、有害な過充電や過熱が発生する前に充電を停止する必要があります。最速の充電器には、セルの過熱を防ぐための冷却ファンが搭載されていることがよくあります。急速充電用のバッテリーパックには、充電器がパックを保護するために使用する温度センサーが搭載されている場合があります。このセンサーには、1つ以上の追加の電気接点があります。

バッテリーの化学組成によって充電方法は異なります。例えば、ある種類のバッテリーは定電圧源で安全に充電できます。一方、他の種類のバッテリーは、バッテリーが完全に充電された電圧に達すると徐々に電流が減少する安定化電流源で充電する必要があります。バッテリーを誤って充電すると、損傷する可能性があります。極端な場合には、バッテリーが過熱、発火、または内容物の爆発を引き起こす可能性があります。

二次電池の正極と負極、および陽極と陰極

排出率

バッテリーの充放電速度は、しばしば電流の「C」レートを用いて議論されます。Cレートとは、理論上1時間でバッテリーを完全に充電または放電できるレートです。例えば、トリクル充電はC/20（または「20時間」レート）で行われますが、通常の充放電はC/2（フル容量まで2時間）で行われます。電気化学セルの利用可能な容量は放電速度によって異なります。セル部品（プレート、電解質、相互接続部）の内部抵抗によってエネルギーの一部が失われ、放電速度はセル内の化学物質の移動速度によって制限されます。鉛蓄電池の場合、時間と放電速度の関係はPeukertの法則によって説明されます。高電流で使用可能な端子電圧を維持できなくなった鉛蓄電池でも、はるかに低いレートで放電すれば、まだ使用可能な容量を持つ可能性があります。充電式セルのデータシートには、8時間、20時間、またはその他の規定時間での放電容量が記載されていることがよくあります。無停電電源装置用セルの定格は 15 分間の放電とすることができます。

電池の端子電圧は、充電中および放電中は一定ではありません。一部の電池は、放電時に容量の大部分にわたって比較的一定の電圧を維持します。充電できないアルカリ電池およびマンガン電池は、新品時は1.5Vの出力ですが、使用とともに電圧が低下します。ほとんどのNiMH単3電池および単4電池の定格電圧は1.2Vですが、アルカリ電池よりも放電曲線が平坦であるため、通常はアルカリ電池を使用するように設計された機器で使用できます。

バッテリーメーカーの技術情報では、バッテリーを構成する個々のセルのセル当たり電圧（VPC）について言及されていることがよくあります。例えば、12Vの鉛蓄電池（各2Vのセルを6個含む）を2.3VPCで充電するには、バッテリーの端子間に13.8Vの電圧が必要です。

細胞反転による損傷

放電したセルに、正極と負極の極性が反転する点まで放電する方向に電流を流すと、セル反転。一般的に、このように放電したセルに電流を流すと、望ましくない不可逆な化学反応が発生し、セルに永久的な損傷を与えます。セル反転は様々な状況で発生する可能性がありますが、最も一般的な2つの状況は以下のとおりです。

  • バッテリーまたはセルが充電回路に逆向きに接続されている場合。
  • 複数のセルが直列に接続されたバッテリーが深放電された状態。

後者の場合、バッテリー内の各セルの容量がわずかに異なるために問題が発生します。あるセルが他のセルよりも先に放電レベルに達すると、残りのセルは放電したセルに電流を強制的に流します。

多くのバッテリー駆動デバイスには、セル反転を引き起こす可能性のある過放電を防ぐ低電圧カットオフ機能が備わっています。スマートバッテリーには、電圧監視回路が内蔵されています。

弱く充電されたセルは、完全に放電する前であっても、セル反転が発生する可能性があります。バッテリーの放電電流が十分に高い場合、セルの内部抵抗によって、セルの順方向起電力よりも大きな抵抗性電圧降下が発生する可能性があります。その結果、電流が流れている間にセルの極性が反転します。[ 6 ] [ 7 ]バッテリーに必要な放電率が高いほど、セル反転の可能性を低減するために、セルの種類と充電状態の両方において、セルの適合性を高める必要があります。

過充電されたNiCdバッテリーを修理する場合など、[ 8 ]バッテリーを完全に放電することが望ましい場合があります。セル反転効果による損傷を避けるため、各セルに個別にアクセスする必要があります。各セルの端子間に負荷クリップを接続することで、各セルを個別に放電し、セル反転を回避します。

完全に放電した状態での保管中の損傷

マルチセルバッテリーを完全に放電すると、前述のセル反転効果により損傷することがよくあります。しかし、各セルを個別に放電するか、各セルの内部リークによって時間の経過とともに電荷を放電させることで、セル反転を起こさずにバッテリーを完全に放電することは可能です。

しかし、たとえセルを逆充電せずに完全に放電状態にしたとしても、放電状態が維持されるだけで時間の経過とともに損傷が発生する可能性があります。その一例は、長期間放置された鉛蓄電池に発生するサルフェーションです。そのため、保管予定のバッテリーは充電し、定期的に再充電することで充電レベルを維持することが推奨されることが多いです。バッテリーは過充電によっても損傷が発生する可能性があるため、保管中の最適な充電レベルは通常30%～70%程度です。

放電深度

放電深度（DOD）は通常、公称アンペア時間容量のパーセンテージで表されます。0% DODは放電がないことを意味します。バッテリーシステムの使用可能容量は放電率と放電終了時の許容電圧に依存するため、放電深度は測定方法を示すために資格認定を受ける必要があります。製造時および経年変化によるばらつきにより、完全放電のDODは時間の経過や充電サイクル数によって変化する可能性があります。一般的に、充電式バッテリーシステムは、各サイクルのDODが低いほど、より多くの充放電サイクルに耐えることができます。[ 9 ]リチウム電池は公称容量の約80～90%まで放電できます。鉛蓄電池は約50～60%まで放電できます。一方、フロー電池は100%まで放電できます。[ 10 ]

寿命とサイクル安定性

電池は、不適切な取り扱いをしなくても繰り返し使用すると、充電サイクル数が増えるにつれて容量が低下し、最終的には耐用年数に達したとみなされます。電池システムによって劣化のメカニズムは異なります。例えば、鉛蓄電池では、充放電サイクルごとに活物質がすべて極板に回復するわけではなく、最終的には十分な量の活物質が失われ、電池容量が低下します。リチウムイオン電池では、特に深放電時に、充電時に反応性の高いリチウム金属が形成されることがあります。これは、次の放電サイクルには利用できなくなります。密閉型電池は、特に過充電や高温での使用により、液体電解質から水分が失われることがあります。これにより、サイクル寿命が短くなります。[ 11 ]

充電時間

BYD e6タクシー、15分で80%まで充電可能

充電時間は、充電式バッテリーを搭載した製品のユーザーにとって重要なパラメータです。充電用電源がデバイスの動作とバッテリーの充電に十分な電力を供給できたとしても、充電中はデバイスは外部電源に接続されています。産業用途の電気自動車であれば、勤務時間外の充電は許容されるかもしれません。しかし、高速道路を走る電気自動車では、適切な時間で充電するために急速充電が不可欠です。

充電式バッテリーは、任意の高速充電速度で充電することはできません。バッテリーの内部抵抗によって熱が発生し、過度の温度上昇はバッテリーを損傷または破壊します。バッテリーの種類によっては、最大充電速度が活物質が液体電解質中を拡散する速度によって制限されます。高速充電は、バッテリー内に過剰なガスを発生させたり、バッテリー容量を恒久的に低下させる有害な副反応を引き起こしたりする可能性があります。大まかに言えば、多くの例外や注意事項はありますが、1時間以内にバッテリーの全容量を回復することを急速充電とみなします。急速充電用のバッテリー充電器システムには、低速充電用に設計された充電器よりも複雑な制御回路と充電戦略が組み込まれています。

アクティブコンポーネント

二次電池の活性成分は、正極活物質と負極活物質を構成する化学物質と電解質です。正極と負極はそれぞれ異なる物質で構成されており、正極は還元電位、負極は酸化電位を示します。これらの半反応から生じる電位の合計が標準電池電位、または電圧です。

一次電池では、正極と負極はそれぞれカソードとアノードと呼ばれます。この慣習は、特にリチウムイオン電池が一次リチウム電池に由来するため、充電式システムにも引き継がれることがありますが、この慣習は混乱を招く可能性があります。充電式電池では、正極は放電時にカソード、負極はアノードとなり、負極は放電時にアノードとなります。

種類

一般的なタイプのラゴンプロット

商業タイプ

1859年にフランスの物理学者ガストン・プランテによって発明された鉛蓄電池は、最も古いタイプの充電式電池です。エネルギー対重量比とエネルギー対体積比が非常に低いにもかかわらず、高いサージ電流を供給できるため、セルのパワー対重量比は比較的高くなります。これらの特徴と低コストにより、自動車のスターターモーターに必要な大電流を供給する自動車用途として魅力的な選択肢となっています。

ニッケル・カドミウム電池（NiCd）は、1899年にスウェーデンのヴァルデマール・ユングナーによって発明されました。電極として酸化ニッケル水酸化物と金属カドミウムを使用しています。カドミウムは有毒物質であるため、2004年に欧州連合（EU）によってほとんどの用途で使用が禁止されました。ニッケル・カドミウム電池は、ニッケル水素（NiMH）電池にほぼ完全に取って代わられました。

ニッケル鉄電池（NiFe）も1899年にヴァルデマール・ユングナーによって開発され、1901年にトーマス・エジソンによってアメリカ合衆国で電気自動車や鉄道信号機用に商品化されました。有毒な水銀、カドミウム、鉛を含む多くの電池とは異なり、NiFeは無毒の元素のみで構成されています。

ニッケル水素電池（NiMH）は1989年に発売されました。[ 12 ]現在、民生用および産業用の一般的な電池となっています。この電池の負極には、カドミウムの代わりに水素吸蔵合金が使用されています。

リチウムイオン電池は1991年に市場に導入され、最高のエネルギー密度と未使用時の充電量減少の遅さから、ほとんどの家電製品に採用されています。しかし、欠点もいくつかあり、特に電池の発熱による予期せぬ発火のリスクが挙げられます。 [ 13 ]このような事故は稀であり、専門家によると「適切な設計、設置、手順、そして多層的な安全対策」によって最小限に抑えることができるため、リスクは許容範囲内です。[ 14 ]

リチウムイオンポリマー電池（LiPo）は軽量で、Liイオンよりもわずかに高いエネルギー密度を提供しますが、コストはわずかに高く、どのような形状にも製造できます。LiPo電池は市販されていますが[ 15 ]、市場でLiイオンに取って代わってはいません。[ 16 ] LiPo電池の主な用途は、ラジコンカー、ボート、飛行機への電力供給です。LiPoパックは、最大44.4 Vまでの様々な構成で、特定のR/C車両、ヘリコプター、またはドローンへの電力供給用に市販されています。[ 17 ] [ 18 ]一部の試験報告書では、電池を説明書通りに使用しないと火災が発生する危険性があると警告しています。[ 19 ]この技術に関する独立したレビューでは、液体電解質を使用するため、特定の条件下ではリチウムイオン電池が火災や爆発を起こす危険性があると議論されています。[ 20 ]

その他の実験タイプ

タイプ 電圧aエネルギー密度bパワーcE/$ eセルフディスク。f充電効率 サイクルg人生h
（V） （MJ/kg） （Wh/kg） (Wh/L) （W/kg） (Wh/$)（％/月） （％） （#） （年）
リチウム硫黄化合物[ 21 ]2.0 0.94～1.44 [ 22 ]400～500 [ 23 ] [ 24 ]350 約1400年[ 25 ]
マグネシウム-硫黄1.7
ナトリウムイオン[ 26 ]3.6 0.27～0.72 75～200 30 3.3 5000以上 テスト
薄膜リチウム? 1.1 300 [ 27 ]959 [ 27 ]6000 [ 27 ]? p [ 27 ]40000 [ 27 ]
亜鉛-臭素1.8 0.27～0.31 75～85歳
亜鉛-セリウム2.5 [ 28 ]テスト中
バナジウムの酸化還元1.15～1.55 0.09～0.13 25～35 [ 29 ]20% [ 30 ]2万[ 31 ] [ 32 ]25年[ 32 ]
ナトリウム-硫黄0.54 150 89～92% 2500～4500
溶融塩2.58 0.25～1.04 70～290 [ 33 ]160 [ 34 ]150～220 4.54 [ 35 ]3000以上 ≤ 20
銀-亜鉛1.86 0.47 130 240
ニッケル亜鉛1.65 70-90 [ 36 ]8000 [ 36 ]
量子電池（酸化物半導体）[ 37 ] [ 38 ]1.5～3 500 8000（勝/敗） 10万

‡ これらのパラメータについては引用が必要です

注記

いくつかのタイプのリチウム硫黄電池が開発されており、多くの研究グループや組織が、リチウム硫黄をベースにした電池は他のリチウム技術よりも優れたエネルギー密度を実現できることを実証しています。[ 39 ]リチウムイオン電池のエネルギー密度は150～260Wh/kgの範囲ですが 、リチウム硫黄をベースにした電池は450～ 500Wh/kgを達成できると予想されており、製造プロセスからコバルト、ニッケル、マンガンを排除できます。[ 23 ] [ 40 ]さらに、当初リチウム硫黄電池は安定性の問題に悩まされていましたが、最近の研究では、従来のリチウムイオン技術をベースにした電池と同等（またはそれ以上）のサイクルを実現するリチウム硫黄電池の開発が進んでいます。[ 41 ]

薄膜電池（TFB）は、Excellatron社によるリチウムイオン技術の改良版です。[ 42 ]開発者らは、充電サイクルが約40,000回まで大幅に増加し、充放電速度も5C以上まで向上したと主張しています。60C放電と1000Cピーク放電の持続性、そして比エネルギーとエネルギー密度の大幅な向上も実現しました。[ 43 ]

一部の用途ではリン酸鉄リチウム電池が使用されています。

オーストラリアの国立科学機関CSIROが発明したハイブリッド鉛蓄電池およびウルトラキャパシターのUltraBattery は、何万回もの部分充電状態サイクルを示し、変動管理電力プロファイルに対するこのモードでのテストで比較した場合、従来の鉛蓄電池、リチウム、および NiMH ベースのセルよりも優れた性能を示した。[ 44 ] UltraBattery は kW および MW 規模の設備がオーストラリア、日本、米国に設置されている。また、ハイブリッド電気自動車で広範囲にわたるテストを受けており、宅配車両での路上商用テストで 10 万車両マイル以上持続することがわかっている。この技術は、高率の部分充電状態の使用において従来の鉛蓄電池の 7 ～ 10 倍の寿命があるとされており、リチウムイオンなどの競合製品よりも安全面と環境面で利点があるとされている。製造元は、この製品のほぼ 100% のリサイクル率がすでに達成されていることを示唆している。

カリウムイオン電池は、プルシアンブルーなどのカリウム挿入・抽出材料の並外れた電気化学的安定性により、約100万サイクルの充放電サイクルを実現します。[ 45 ]

ナトリウムイオン電池は据置型蓄電池として開発され、鉛蓄電池と競合します。kWhあたりの総所有コスト（TCO）の低減を目指しており、これは長く安定した寿命によって実現されます。有効サイクル数は5000回を超え、深放電による損傷もありません。エネルギー密度は鉛蓄電池よりもやや低くなっています。

代替案

充電式バッテリーは、充電式エネルギー貯蔵システムのいくつかのタイプのうちの1つに過ぎない。[ 46 ]充電式バッテリーのいくつかの代替品が存在し、または開発中である。携帯ラジオなどの用途では、充電式バッテリーの代わりに、手で巻き上げてダイナモを駆動するゼンマイ仕掛けの機構を使用することができるが、このシステムはラジオを直接作動させるのではなく、バッテリーを充電するために使用することができる。懐中電灯はダイナモで直接駆動することができる。輸送機関、無停電電源装置および研究室用には、フライホイールエネルギー貯蔵システムが回転するローターにエネルギーを貯蔵し、必要に応じて電力に変換する。このようなシステムは、通常の電力網では問題となるような大きなパルス電力を供給するために使用することができる。

 超高容量コンデンサであるウルトラキャパシタも使用されています。90秒で充電でき、充電式バッテリーを使用する機器の約半分のネジを締めることができる電動ドライバーが2007年に導入されました[ 47 ]。また、同様の懐中電灯も製造されています。ウルトラキャパシタのコンセプトに沿って、ベタボルタ電池は二次電池にトリクル充電を行う方法として利用することができ、使用されているバッテリーシステムの寿命とエネルギー容量を大幅に延長します。このタイプの構成は、業界関係者から「ハイブリッドベタボルタ電源」と呼ばれることがよくあります[ 48 ] 。

ウルトラキャパシタは輸送用に開発されており、ハイブリッド車で使用されている充電式バッテリーバンクの代わりに、大容量のコンデンサを使用してエネルギーを蓄える。バッテリーと比較したコンデンサの欠点の1つは、端子電圧が急速に低下することです。初期のエネルギーの25%が残っているコンデンサは、初期の電圧の半分になります。対照的に、バッテリーシステムでは、端子電圧はほぼ消耗するまで急速に低下しません。この端子電圧の低下により、ウルトラキャパシタを使用するためのパワーエレクトロニクスの設計が複雑になります。しかし、充電式システムと比較して、サイクル効率、寿命、重量の点で潜在的な利点があります。中国では、2006年に2つの商用バス路線でウルトラキャパシタの使用が開始されました。そのうちの1つは上海の11番ルートです。[ 49 ]

特殊な用途に使用されるフロー電池は、電解液を交換することで充電されます。フロー電池は、充電式燃料電池の一種と考えられます。

参照

ウィキメディア コモンズには、充電式電池に関連するメディアがあります。

参考文献

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