エネルギー貯蔵業界を理解する必要のある人が増えており、バッテリーはエネルギー貯蔵の核心であるため、Vatrer は関連資料をまとめ、簡単に学習できるようにわかりやすいリソース セットを編成しました。これらの資料を読んだ後、バッテリーに関する比較的専門的な知識の枠組みが構築され、準専門家になれると信じています。楽しい学習体験をお楽しみください。
1. バッテリーファミリー
電池の種類と特徴
一次電池（乾電池）- 亜鉛炭素電池: これらは、リモコンや壁掛け時計などの日常的なデバイスによく見られる最も基本的なタイプの電池です。安価ですが、寿命が限られており、エネルギー密度も低いです。
- 鉛蓄電池: これらは最も一般的でコスト効率に優れたタイプの充電式バッテリーです。自動車のエンジン始動用や小型電気自動車の動力用に広く使用されています。ただし、重量があり、エネルギー密度が比較的低いという欠点があります。
- ニッケルカドミウム（NiCd）電池: 大型の携帯電話（「ブリック」）などの初期のデジタル機器で人気があったこれらの電池は、含まれる有毒な重金属のために、環境に対する重大な懸念があります。また、メモリ効果の問題があり、繰り返し使用すると効率が低下するため、現在では大部分が段階的に廃止されています。
- ニッケル水素（NiMH）電池： これらのバッテリーは、医療機器や一部のハイブリッド車など、短時間で高電流放電を必要とする用途で使用されます。NiCd バッテリーよりもエネルギー密度が高く、環境への悪影響も少なくなります。
- リチウムイオン電池: スマートフォンやノートパソコンなどの現代のポータブル電子機器に広く使用され、電気自動車にもますます使用されるようになったリチウムイオン電池は、ニッケル水素電池に見られるメモリ効果がなく、高いエネルギー密度と長寿命を実現します。
- フロー電池: これらのバッテリーは、膜で分離された液体に溶解した 2 つの化学成分を使用します。理論的には貯蔵タンクのサイズを大きくすることで簡単にスケールアップできるため、グリッド貯蔵などの大規模なエネルギー貯蔵には有望な技術です。ただし、ほとんどのモバイル アプリケーションではまだ開発段階にあります。
各タイプのバッテリーには特定の用途、利点、制限があり、さまざまな分野のさまざまな用途への適合性に影響を及ぼします。技術が進歩するにつれて、固体バッテリーや高度なリチウムベースのバッテリーなどの新しいタイプのバッテリーは、安全性、エネルギー密度、環境への影響を改善することが期待されています。
「リチウム電池」という用語は、もともと一次電池であるリチウム金属電池を指していました。しかし、爆発しやすいため、現在は使用されていません。今日、リチウム電池というと、一般的にはリチウムイオン電池を指します。私たちが日常的に使用する一般的な AA および AAA 電池は、乾電池の例です。初期の大型携帯電話 (「ブリック」と呼ばれることも多い) には、ニッケル水素電池が使用されていました。小型電気自動車では通常、鉛蓄電池が使用され、4 個がまとめて正方形に整然と並べられていることがよくあります。一方、スマートフォン、ラップトップ、さらには電気自動車でも、主にリチウムイオン電池が使用されています。
主な電気化学エネルギー貯蔵電池の比較
|
電池のタイプ |
比エネルギー（Wh/kg） | 比出力（W/kg） | サイクル寿命（千） | システムコスト ($/kWh) | 1kWhあたりのコスト（$/kWh） | 充放電効率（％） | 安全性 | 利点 | デメリット |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| リチウムイオン電池 | 75-250 | 150-315 | 2.5-5 | 350-560 | 0.126-0.168 | 85-98 | 高い | 高い比エネルギー、優れたサイクル性能、高い充放電効率 | コストが高く、過充電や過放電に敏感で、低温での安全性強化が必要 |
| 鉛炭素電池 | 30-60 | 75-300 | 2-4 | 175-252 | 0.063-0.098 | 80-90 | 中くらい | サイクル性能が良好、kWhあたりのコストが低い、リサイクル可能 | 鉛汚染、低い比エネルギー、大きなスペース要件 |
| フロー電池（バナジウム、亜鉛臭素） | 15-85 | 50-170 | 2-10 | 280-840 | 0.098-0.168 | 60-75 | 中くらい | バナジウムはより安全で、メンテナンスコストが低く、拡張性がある | 亜鉛臭素は蒸気漏れのリスクがあり、大きなスペースを必要とする |
| ナトリウム硫黄電池 | 150-240 | 90-230 | 2-3 | 280-420 | 0.126-0.168 | 70-85 | 中くらい | 高い比エネルギー、高出力、環境に優しい | 動作温度が高く、過充電や深放電状態では危険、ナトリウム漏れの危険がある |
2. バッテリー用語の説明
SOX : 完全な用語は「State Of X」で、X はバッテリーの状態のさまざまな側面を表します。
-
H 健康を表す
-
Ｃ 容量を表す
-
ポ パワーの略
-
え エネルギーを表す
これは、排気量、出力、エネルギー、動作時間などのエンジンの仕様を説明することに似ています。基本的に、SOX はバッテリーの現在の動作パラメータの包括的なステータスを提供します。
ソシエテ (充電状態): これは、バケツの中の水の量に似た、バッテリーが特定の時点で保持している充電レベルを指します。完全に放電されたバッテリーの SOC は 0 ですが、完全に充電されたバッテリーの SOC は 1 です。これは、利用可能な容量を実際の容量で割って計算されます。
国防総省 (放電深度): これは、バッテリーがどの程度放電されたかを示します。バッテリーが完全に充電されている場合、DOD は 0 です。完全に放電されている場合、DOD は 1 です。したがって、通常の状態では、DOD は 0 から 1 の間の値になります。DOD と SOC の関係は、DOD + SOC = 1 と表すことができます。
ソウ (健康状態): これは、バッテリーの初期定格容量と比較した現在の実際の容量を指します。バッテリーが古くなると、SOH は減少します。SOH は、通常、容量と内部抵抗に基づいて評価されます。容量の減少に基づく SOH の最もよく引用される定義は次のとおりです。
どこ：
- バッテリーの現在の容量
- バッテリーの定格容量は
3. リチウム電池の分類
実践的なパフォーマンスに基づく:
-
電源タイプ: これらのバッテリーは、高出力の短時間バースト用に設計されており、急速なエネルギー放電を必要とする用途に適しています。
-
エネルギーの種類: これらは長時間のエネルギー貯蔵に最適化されており、長期間にわたって持続的なエネルギー供給を必要とするアプリケーションに最適です。
物理的な形状に基づく:
-
円筒形: これらの電池は円筒形の形状をしています。
-
角柱型（スチール/アルミニウムケース）： これらは長方形または正方形の形をしており、スチールまたはアルミニウムで覆われています。
-
ポーチ（アルミプラスチックフィルム）： これらのバッテリーは、柔軟なアルミニウムプラスチックフィルムケースを使用しています。
電解質材料に基づく:
-
液体リチウムイオン電池（LIB）： これらのバッテリーは液体電解質を使用し、電力用途でよく使用されます。
-
ポリマーリチウムイオン電池（PLB）： これらは液体電解質を固体ポリマー電解質に置き換えたもので、これは「乾燥」または「ゲル状」のいずれかであり、ほとんどがポリマーゲル電解質を使用しています。厳密に言えば、固体電池とは、電極と電解質の両方が固体である電池を指します。
カソード材料に基づく:
-
リン酸鉄リチウム（LFP） ： 安全性と長いサイクル寿命で知られています。
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リチウムコバルト酸化物（LCO）： エネルギー密度は高いが寿命が比較的短いことで知られています。
-
リチウムマンガン酸化物（LMO）： パワーと容量のバランスを実現します。
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バイナリ電池: リチウムニッケルマンガン酸化物（LiNiMnO2）/リチウムニッケルコバルト酸化物（LiNiCoO2）。
-
三元電池: リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物 (NCM) とリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物 (NCA)。
陽極材料に基づく:
-
チタン酸リチウム（LTO）： 急速充電と高いサイクル安定性で知られています。
-
グラフェンバッテリー: グラフェンを使用することで導電性と容量が向上します。
-
ナノカーボンファイバーバッテリー: ナノスケールのカーボンファイバーを使用し、表面積と導電性を高めます。
この分類では、性能特性、物理的設計、材料構成に基づいて、さまざまな用途に適したさまざまな種類のリチウム電池を概説します。
18650バッテリー
18650 はリチウムイオン電池のモデルで、AA、AAA、C 電池などの乾電池の標準サイズに似ています。18650 は、日本でソニーがコスト削減策として確立したオリジナルのリチウムイオン電池モデルです。これは、'18' が直径 18mm、'65' が長さ 65mm、'0' が円筒形を表すという標準形式に準拠しています。18650 電池の一般的なタイプには、リチウムイオンとリン酸鉄リチウム (LiFePO4) のバリエーションがあります。リチウムイオン 18650 電池の公称電圧は通常 3.7V、充電カットオフ電圧は 4.2V、容量は 1200mAh から 3350mAh の範囲です。リン酸鉄リチウム電池の公称電圧は 3.2V、充電カットオフ電圧は 3.6V で、一般的な容量は 2200mAh ～ 2600mAh の範囲です。
18650 バッテリーの利点:
-
標準化: 18650 バッテリーは、最も古く、最も成熟し、最も安定したタイプのリチウムイオン バッテリーです。日本のメーカーは高い一貫性基準を達成しており、問題が発生した場合でも個々のセルを簡単に交換できます。
-
安全性： 18650 バッテリーは一般的にスチールケースを使用しており、衝突の危険性に対してより安全です。さらに、これらのバッテリーの安全性は、製造プロセスの進歩により、時間の経過とともに向上しています。スチールケースのリチウム バッテリーは爆発しやすい傾向がありますが、最新の 18650 セルは安全弁付きで設計されています。これにより、過剰な内部圧力が解放されるだけでなく、セルが外部回路から物理的に切り離され、問題のあるセルが効果的に隔離され、バッテリー パック内の他のセルの安全が確保されます。
ただし、他の種類のバッテリーにも利点があります。たとえば、ポリマーリチウムバッテリーは比較的安全で、エネルギー密度が高く、最悪の場合でも爆発せず、通常は燃焼します。カスタム設計も可能ですが、研究開発コストが増加し、汎用性が低下します。
リン酸鉄リチウム電池 (LFP)
リン酸鉄リチウム (LiFePO4) は LFP とも呼ばれ、リチウムイオン電池に使用される正極材料の一種です。コバルトなどの高価な元素を含まないのが特徴で、リン、リチウム、鉄などの成分が地殻に豊富に存在するため、材料の安定供給が保証され、コスト効率に優れています。LFP 電池は、中程度の動作電圧 (3.2V)、高容量 (170mAh/g)、高放電電力、急速充電機能、長いサイクル寿命を備えています。また、高温および高熱条件下でも高い安定性を維持します。
4. リチウムイオン電池の電圧と容量
リチウムイオン電池の電圧は、放電電流、周囲温度、および陽極と陰極に使用される材料によって異なります。
このグラフは、カソード材料としてコバルト酸リチウムを使用したパナソニック 2550mAh リチウムイオン電池の放電曲線を表しています。上から下までの 3 つの曲線は、3 つの異なる放電電流における電圧と容量の変化を表しています。
充電と放電の過程では、電圧が連続的に変化します。490mAを例にとると、バッテリーの開放電圧は完全に充電された状態で4.2Vです。放電が進むにつれて、電圧（縦軸）は徐々に低下し、放電容量（横軸）が増加し、3.5Vで電圧が急激に低下します。放電プロセス全体を通じて電圧は変化しますが、簡単にするために、定常放電フェーズでの平均電圧3.7Vをバッテリー電圧としてマークします。この電圧は公称電圧とも呼ばれます。
ここで測定された電圧は低電流、室温の条件下でのものであり、放電電流の増加と温度の低下とともに低下します。
バッテリー電圧に影響を与えるもう1つの重要な要素は、陽極と陰極に使用される材料です。前述のパナソニックのバッテリーは、陰極と陽極にそれぞれコバルト酸リチウムとグラファイトを使用しており、これらは以前のリチウムバッテリー業界の標準材料でした。バッテリーに新しい材料が採用されたことで、近年、3.6Vまたは3.8Vのリチウムバッテリーが登場しました。これらのバッテリーは異なる陰極材料を使用しており、コバルト酸リチウムバッテリーと比較して、エネルギー密度を高めることができ、単位重量と体積あたりに多くのエネルギーを蓄えることができます。
| バッテリーの種類 | 充電カットオフ電圧 | 公称電圧 | 放電カットオフ電圧 |
|---|---|---|---|
| リチウムイオン電池 | 4.2V | 3.7V | 2.7V |
| リン酸鉄リチウム電池 | 3.6V | 3.2V | 2.0V |
バッテリー容量: 定格容量と実容量
バッテリー容量は一般的に実容量と定格容量に分類されます。
- 実容量: 特定の放電条件下でバッテリーが実際に放電する電気量を指します。実容量は常に理論容量よりも低くなります。
- 定格容量: これは、バッテリーの設計および製造時に、特定の条件下でバッテリーが放電する最小の電気量として定義されます。
バッテリー容量は一般にアンペア時間 (Ah) で測定され、個々のセルは便宜上ミリアンペア時間 (mAh) で表記されることが多いです。たとえば、バッテリーの定格容量が 1300mAh の場合、バッテリーは 130mA の電流を 10 時間放電できることを意味します (1300mAh / 130mA = 10 時間)。この計算は、放電電流が一定であるという理想的なシナリオを想定していますが、デジタル デバイスを含む実際のアプリケーションでは、このような状況は起こりそうにありません。
18650 リチウム電池の容量は通常 1200mAh から 3600mAh の範囲です。
スマートフォンのバッテリーの場合、測定単位は mAh です。高校の理科では、これは電荷の単位であり、エネルギーの単位に変換するには電圧を掛ける必要があると教わります。
バッテリー容量の計算方法：
Q=それ
バッテリーエネルギー計算方法:
W=UIt さん
スマートフォンなどのデバイスでは、なぜエネルギー消費量が電荷の単位で測定されるのでしょうか。これは主に、バッテリーのサイズを最小限に抑えるために、スマートフォンなどのポータブル電子機器に使用されているリチウムイオンバッテリーの正極にコバルト酸リチウムが使用されているためです。この正極材料は充填密度が高く、スマートフォンのバッテリーに使用されている正極材料は均一であるため、バッテリー電圧は比較的一定です（理論上は3.7Vですが、メーカーの製造プロセスによって若干異なる場合があります）。さらに、スマートフォンには通常、1セルのバッテリーしか搭載されていません（最近の例外として、2000mAhのバッテリーを2つ搭載したスマートフォンモデルがあります）。そのため、バッテリーに蓄えられるエネルギー量を測定するには、容量を測定するだけで十分です。
ただし、コンピューターのバッテリーは、容量 (充電) とエネルギーの両方を表示することがよくあります。これは、コンピューターには 1 つのバッテリーだけではなく、直列と並列で構成された複数のバッテリーがバッテリー パックを構成しているため、容量だけではエネルギー貯蔵量を測定できないためです。高校の物理学では、同じモデルのバッテリーの場合、バッテリーを並列に接続すると、バッテリー パックの電圧は変わりませんが、容量が増加します。バッテリーを直列に接続すると、バッテリー パックの容量は変わりませんが、電圧が増加します。
手元にあるこのノート PC を例に挙げてみましょう。仕様には「57.4Wh/7565mAh@7.6V (標準容量)」と記載されています。これは、バッテリー パックが、容量 3782.5mAh、電圧 3.8V の 4 つのリチウムイオン バッテリーを直並列で構成していることを示しています。計算すると、7565mAh × 7.6V = 57.494Wh となり、これが裏付けられます。
7565mAh のバッテリーを 2 つ直列に使用しないのはなぜでしょうか。7565mAh ほどの容量のバッテリーを製造するには、生産要件の面でより厳しいものになります。また、3782.5mAh のバッテリーは、実際にスマートフォンで一般的に使用されているサイズです。工場では、スマートフォンとラップトップの両方のバッテリーを製造できる単一の生産ラインがあれば、コストを削減できます。
次に、下の画像に示すように、別のラップトップのバッテリー仕様を見てみましょう。
したがって、バッテリーの耐久性を正確に測定するには、エネルギー容量を確認する方が信頼性があります。自分で計算してみましょう。
5. リチウムイオン電池を選ぶ理由
軽量
リチウムイオン電池のエネルギー密度は約200～260Wh/kgで、鉛蓄電池の50～70Wh/kg、ニッケル水素（NiMH）電池の40～70Wh/kgと比べて低い。つまり、同じ容量の場合、他の2種類の電池は3～5倍重い。したがって、リチウム電池はエネルギー貯蔵装置の軽量化において絶対的な優位性を持っている。
リチウム電池の体積エネルギー密度は、通常、鉛蓄電池の約 1.5 倍であり、ニッケル水素電池のエネルギー密度はリチウムイオン電池の 60 ～ 80% しかありません。したがって、同じ容量の場合、リチウム電池は体積も小さくなります。
急速充電
リチウムイオン電池は活発な性質を持っているため、イオンは電池内で素早く移動し、より大きな充電電流とより速い充電速度を実現します。リチウムイオン電池は約 3 時間で完全に充電できます。対照的に、ニッケル水素電池は充電が非常に遅く、完全に充電されるまでに通常約 1 日かかります。
メモリ効果なし
メモリ効果とは、使用により電池材料が結晶化する現象を指します。ニッケルベースの電池の場合、放電状態が長すぎるとニッケル板の結晶が粗くなり、電解液との接触が減り、容量が失われることがあります。完全な充放電サイクルを数回実行すると、結晶が細かくなり、容量が部分的に回復します。これを「活性化」と呼びます。
しかし、リチウム電池はメモリ効果を示さず、電池を活性化して通常の容量を回復するには、通常の充電と放電のサイクルを 3 ～ 5 回繰り返すだけで済みます。
環境に優しい
汚染の削減を目的とした環境政策では、鉛蓄電池の生産、使用、リサイクルは、適切に取り扱われなければ汚染を引き起こす可能性があります。リチウム電池は、パッケージングと密封性に優れているため、より環境に優しい傾向があります。
6. リチウム電池の安全性の問題
リチウム電池は軽量で充電も速いのに、なぜ鉛蓄電池のような他の種類の二次電池がまだ流通しているのでしょうか? コストや用途分野の違いに加え、もう 1 つの理由は安全性です。
リチウムは最も反応性の高い金属の 1 つです。その非常に反応性の高い化学的性質により、リチウム金属が空気にさらされると酸素と激しく反応し、爆発や燃焼につながる可能性があります。さらに、充電および放電プロセス中に、リチウム電池内で酸化還元反応が発生します。爆発や自然発火は、主にこれらのプロセス中に発生した熱が蓄積され、十分な速さで放散および放出できないことが原因です。簡単に言えば、リチウム電池は充電および放電中に大量の熱を発生し、内部温度の上昇や個々のセル間の温度の不均一につながり、電池の性能が不安定になります。
熱暴走
リチウムイオン電池の危険な動作（過充電、過放電、急速充放電、短絡、機械的乱用、高温への暴露など）は、電池内部で危険な副反応を引き起こし、熱を発生させ、陽極と陰極の表面の不活性化層を直接損傷する可能性があります。
リチウムイオン電池の熱暴走事故を引き起こす原因は数多くありますが、原因の性質に基づいて、機械的損傷、電気的損傷、熱的損傷の 3 種類に分類できます。
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機械的虐待: 自動車の衝突、穴あけ、圧壊、または強い衝撃によって生じた損傷が含まれます。
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電気による虐待: 一般的には、不適切な電圧管理や、短絡、過充電、過放電などの電気部品の故障によって発生します。
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熱的虐待: 不適切な温度管理により過熱が発生します。
上図に示すように、これら 3 つのトリガー メカニズムは相互に関連しています。機械的な乱用は通常、バッテリー セパレーターの変形または破裂を引き起こし、アノードとカソード間の直接接触と短絡を引き起こし、電気的乱用につながります。電気的乱用では、ジュール熱の増加によりバッテリーの温度が上昇し、熱的乱用につながります。これにより、バッテリー内で発熱反応の連鎖がさらに引き起こされ、最終的に熱暴走を引き起こします。
熱暴走は、バッテリーの発熱率が放熱率をはるかに上回り、熱が時間内に放出されずに蓄積されるために発生します。基本的に、「熱暴走」は正のフィードバック エネルギー サイクルです。温度が上昇するとシステムが加熱され、その結果、温度がさらに上昇し、システムがさらに高温になります。
熱暴走のプロセス:
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内部温度が上昇し、表面のSEI（固体電解質界面）層が高温で分解します。グラファイトに埋め込まれたリチウムイオンが電解質およびバインダーと反応し、バッテリー温度が150°Cまで上昇し、新たな激しい発熱反応が発生します。
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バッテリーの温度が 200°C を超えると、カソード材料が分解し、大量の熱とガスが放出され、バッテリーが膨張して加熱が継続します。250 ～ 350°C で、リチウム化されたアノードが電解質と反応し始めます。
-
充電状態では、正極材料が激しく分解反応を起こし、電解質が激しく酸化反応を起こして大量の熱を放出し、高温と大量のガスが発生し、バッテリーの燃焼と爆発につながります。
過充電とリチウムデンドライトの形成:
リチウムコバルト酸化物電池では、完全に充電された後、大量のリチウムイオンがカソードに残ります。つまり、アノードはカソードに付着したリチウムイオンをこれ以上収容できませんが、過充電時には、余分なリチウムイオンがアノードに向かって移動します。完全に収容できないため、アノード上に金属リチウムが形成されます。この金属リチウムは樹枝状（枝状）の結晶構造で形成されるため、デンドライトと呼ばれます。これらのデンドライトが長くなりすぎると、セパレーターに穴が開き、内部短絡を引き起こす可能性があります。電解質の主成分は炭酸エステルで、発火点と沸点が低いため、高温下では発火したり爆発したりすることもあります。
ポリマーリチウム電池の場合、電解質はゲル状であるため、より激しい燃焼を引き起こす可能性があります。この問題に対処するために、科学者はより安全な正極材料の使用を試みてきました。マンガン酸リチウム電池には、完全に充電されると正極のリチウムイオンがアノードの炭素細孔に完全に埋め込まれることを保証できるという利点があり、コバルト酸リチウムのように正極に残留物が残ることはありません。そのため、デンドライトの形成をある程度回避できます。マンガン酸リチウムの安定した構造は、コバルト酸リチウムよりも酸化特性が大幅に低いことを意味し、外部短絡の場合でも（内部短絡とは対照的に）、燃焼や爆発につながる金属リチウムの沈殿を大幅に防ぐことができます。リン酸鉄リチウムはさらに高い熱安定性と低い電解質酸化能力を備えているため、安全性が高くなります。
エージング
リチウムイオン電池の劣化の外部的な兆候としては、容量の低下や内部抵抗の増加などが挙げられます。劣化の内部的なメカニズムとしては、陽極と陰極の活性物質の損失や、使用可能なリチウムイオンの損失などが挙げられます。
陽極材料の劣化が発生して陽極の容量が低下すると、陽極にリチウムがめっきされるリスクも高まります。
深放電などの場合には、アノードのリチウム電位が 3V 以上に上昇し、銅の溶解電位を超え、銅集電体が溶解することがあります。溶解した銅イオンはカソード表面に沈殿し、銅のデンドライトを形成する可能性があります。これらのデンドライトはセパレーターを貫通して内部短絡を引き起こし、バッテリーの安全性を著しく損なう可能性があります。
さらに、経年劣化したバッテリーの過充電耐性は、主に内部抵抗の増加と電極の活性物質の減少により低下する傾向があり、過充電時のジュール熱が増加します。これにより、過充電レベルが低いときに副反応が引き起こされ、熱暴走を引き起こす可能性があります。リチウムめっきがアノードで発生すると、熱安定性が大幅に低下します。
要約すると、古くなったバッテリーの安全性能は大幅に低下し、重大な安全上の危険をもたらします。
解決
最も一般的なソリューションは、バッテリー ストレージ システムにバッテリー管理システム (BMS) を装備することです。たとえば、Tesla Model S で使用されている 8000 個の 18650 バッテリーは、バッテリー管理システムによって管理されており、バッテリーのさまざまな物理的パラメーターをリアルタイムで監視し、使用状態を評価し、オンライン診断と警告を実行します。また、放電とプリチャージの制御、バッテリーのバランス調整、熱管理も管理します。
7. リチウム電池の用途
現在、リチウム電池エネルギー貯蔵システムでは、リン酸鉄リチウム (LFP) 電池が主に使用されています。リン酸鉄リチウム電池には、高い動作電圧、高いエネルギー密度、長いサイクル寿命、環境への配慮など、一連の独自の利点があります。
三元リチウム電池とは、正極材料としてリチウムニッケルコバルトマンガン酸化物 (NCM) またはリチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物 (NCA)、負極材料としてグラファイト、電解質の主なリチウム塩として六フッ化リン酸リチウムを使用するリチウム電池を指します。正極材料にはニッケル、コバルト、マンガン/アルミニウムの 3 つの金属元素が含まれているため、「三元」という名前が付けられています。三元リチウム電池は主にパワー バッテリーの分野で使用されます。
リチウム電池の用途拡大
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電気自動車 (EV) : リチウム電池の最も顕著な用途の 1 つは、電気自動車業界です。リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く寿命が長いため好まれており、電気自動車の長距離走行に不可欠です。
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再生可能エネルギー貯蔵: 世界が太陽光や風力などの間欠的な再生可能エネルギー源へと移行するにつれて、効率的なエネルギー貯蔵システムの必要性が高まっています。リチウム電池は、生産ピーク時に生成された余剰エネルギーを貯蔵し、生産量の少ない期間に使用するためにますます使用されています。
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民生用電子機器: リチウム電池は、スマートフォン、ノートパソコン、タブレット、電動工具など、現代のポータブル電子機器の基盤です。小さな容量に大量のエネルギーを蓄えることができるため、これらの用途に最適です。
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航空宇宙および防衛: リチウム電池は、衛星や宇宙船への電力供給から軍事機器へのエネルギー供給まで、さまざまな航空宇宙用途で使用されています。エネルギー対重量比が高いため、重量が重要な要素となる用途に適しています。
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医療機器: ペースメーカー、補聴器、ポータブル診断機器などのポータブル医療機器は、長寿命と信頼性のためにリチウム電池に依存しています。
リチウム電池技術の進歩
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固体電池: 研究者たちは、従来の液体やゲルの代わりに固体電解質を使用する固体電池を開発しています。この変更により、リチウム電池の安全性とエネルギー密度が大幅に向上する可能性があります。
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リチウム硫黄電池: リチウム硫黄電池は、従来のリチウムイオン電池よりも高いエネルギー密度を約束します。この技術を実現可能にするために、サイクル寿命の短さやポリサルファイドシャトル効果などの課題に対処しています。
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リサイクル技術: リチウム電池の使用が増えるにつれて、貴重な材料を回収し、環境への影響を減らすための効果的なリサイクル方法の必要性も高まります。リサイクル技術の進歩により、プロセスはより効率的で環境に優しいものになっています。
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改良されたアノード材料: シリコンなどの新しいアノード材料の研究は、リチウム電池の容量と効率の向上を目指しています。シリコンアノードは、理論上はグラファイトアノードの 10 倍のリチウムを保持できますが、充電中に体積が膨張するという問題があります。
今後の展望
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ユーティリティ規模のストレージにおける採用の増加: コストが引き続き低下するにつれて、リチウム電池はグリッドストレージアプリケーションでより一般的になり、供給を安定させ、再生可能エネルギー源のより高い割合を電力網に統合することが期待されます。
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強化された安全機能: 内部設計と外部保護機構の改善によりリチウム電池の安全性を高め、これらの電池に関連する火災や爆発のリスクを軽減することに、イノベーションが引き続き重点的に取り組んでいます。
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世界的なサプライ チェーンの改善: リチウムやその他の重要な鉱物のサプライ チェーンをより持続可能にし、地理的な集中を軽減して、潜在的なボトルネックを減らし、材料の安定した供給を確保するための取り組みが進行中です。
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