トニー・スタークがアークリアクターに足を踏み入れて発明したり、ワイヤレスエネルギー伝送用の太陽光発電衛星（SPS）の研究が成功したりしない限り、私たち人間はポータブルまたはリモートの電子機器に電力を供給するためにバッテリーに依存する必要があります。家庭用電化製品に見られる最も一般的なタイプの充電式バッテリーは、リチウムイオンまたはリチウムポリマータイプのいずれかです。この記事では、他のすべてのタイプよりも便利な傾向があるリチウムイオン電池に関心があります。小さなパワーバンクであれ、ラップトップであれ、テスラの新しいモデル3と同じくらい大きなものであれ、すべてがリチウムイオン電池で駆動されています。
これらのバッテリーが特別な理由は何ですか？プロジェクト/デザインで使用する前に、それについて何を知っておく必要がありますか？これらのバッテリーを安全に充電または放電するにはどうすればよいですか？これらすべての質問に対する答えを知りたい場合は、適切な記事にたどり着きました。座って読んでください。できるだけ面白くするように努めます。
リチウムイオン電池の歴史
リチウムイオン電池のアイデアは、1912年にGNルイスによって最初に考案されましたが、1970年代にのみ実現可能になり、最初の非充電式リチウム電池が商業市場に投入されました。 1980年代後半、エンジニアはリチウムをアノード材料として使用した最初の充電式電池の製造を試み、部分的に成功しました。彼らは、これらのタイプのリチウム電池が充電プロセス中に不安定であり、電池内部に短絡が発生して温度が上昇し、熱暴走を引き起こすことに気づきませんでした。
1991年、携帯電話で使用されていたそのようなリチウム電池の1つが、日本の男性の顔に爆発しました。この事件の後で初めて、リチウムイオン電池は細心の注意を払って取り扱われるべきであることがわかりました。市場に出回ったこれらのタイプのバッテリーの膨大な数は、安全性の問題でメーカーによってリコールされました。その後、多くの研究を経て、ソニーは現在まで使用されている新しい化学的性質を備えた高度なリチウムイオン電池を発表しました。ここで歴史のレッスンを締めくくり、リチウムイオン電池の化学的性質を調べてみましょう。
リチウムイオン電池の化学と動作
名前が明らかに示すように、リチウムイオン電池は仕事を成し遂げるためにリチウムイオンを使用します。リチウムはエネルギー密度の高い非常に軽い金属であり、この特性により、バッテリーを軽量にし、小さなフォームファクターで大電流を供給することができます。エネルギー密度は、バッテリーの単位体積あたりに蓄えることができるエネルギーの量であり、エネルギー密度が高いほど、バッテリーは小さくなります。リチウム金属の圧倒的な特性にもかかわらず、リチウムはその金属的性質のために非常に不安定であるため、電池の電極として直接使用することはできません。したがって、リチウム金属とほぼ同じ特性を持つが、非金属であり、比較的安全に使用できるリチウムイオンを使用します。
通常、リチウム電池のアノードはカーボン製で、バッテリーのカソードは酸化コバルトまたはその他の金属酸化物を使用して作られています。これら2つの電極を接続するために使用される電解質は、リチウムイオンを含む単純な塩溶液になります。正に帯電したリチウムイオンを放電すると、陰極に向かって移動し、正に帯電するまで陰極に衝撃を与えます。カソードは正に帯電しているため、負に帯電した電子をカソードに引き付けます。これらの電子は私たちの回路を通って流れ、回路に電力を供給します。
同様に、充電中は正反対のことが起こります。電荷からの電子がバッテリーに流れ込むため、リチウムイオンがアノードに向かって移動し、カソードが正電荷を失います。
リチウムイオン電池の紹介
リチウムイオン電池に関する理論はこれで十分です。では、これらのセルについて実際に理解して、プロジェクトで使用するための自信を持ってみましょう。最も一般的に使用されるリチウムイオン電池は18650セルであるため、この記事で同じことについて説明します。典型的な18650セルを下の画像に示します
すべてのバッテリーと同様に、リチウムイオンバッテリーにも電圧と容量の定格があります。すべてのリチウム電池の公称電圧定格は3.6Vになります、したがって、より高い電圧仕様が必要なため、それを実現するには、2つ以上のセルを直列に組み合わせる必要があります。デフォルトでは、すべてのリチウムイオンセルの公称電圧はわずか約3.6Vです。この電圧は、完全に放電すると最大3.2Vまで下がり、完全に充電すると最大4.2Vまで上がることができます。 3.2V未満でバッテリーを放電したり、4.2Vを超えて充電したりすると、バッテリーが永久に損傷し、花火のレシピになる可能性があることを常に覚えておいてください。 18650バッテリーに関連する用語を分解して、理解を深めましょう。これらの説明は単一の18650セルにのみ適用されることに注意してください。後で、複数のセルが直列または並列に接続されてはるかに高い電圧および電流定格が得られるリチウムイオンバッテリパックについて詳しく説明します。
公称電圧：公称電圧は、18650セルの実際の定格電圧です。デフォルトでは3.6Vであり、製造元に関係なく、すべての18650セルで同じままです。
全放電電圧： 18650セルを3.2V未満で放電させないでください。そうしないと、バッテリーの内部抵抗が変化し、バッテリーが恒久的に損傷し、爆発につながる可能性があります。
フル充電電圧：リチウムイオン電池の充電電圧は4.2Vです。セル電圧が常に4.2V上昇しないように注意する必要があります。
mAh定格：セルの容量は通常、mAh（ミリアンペア時）定格で示されます。この値は、購入したセルのタイプによって異なります。たとえば、ここでのセルが2000mAhであると仮定します。これは、2Ah（アンペア/時）にすぎません。つまり、このバッテリーから2Aを引き出すと、1時間持続し、同様に、このバッテリーから1Aを引き出すと、2時間持続します。したがって、バッテリーがプロジェクトに電力を供給する時間（実行時）を知りたい場合は、mAh定格を使用して計算する必要があります。
実行時間（時間単位）=消費電流/ mAh定格
ここで、引き出される電流はC定格制限内である必要があります。
C定格：バッテリーから引き出せる最大電流量がどれくらいか疑問に思ったことがある場合は、バッテリーのC定格から答えを得ることができます。バッテリーのC定格は、バッテリーごとに再び変化します。私たちが持っているバッテリーが3C定格の2Ahバッテリーであると仮定しましょう。値3Cは、バッテリーが最大電流の定格Ah定格の3倍を出力できることを意味します。この場合、最大電流として最大6A（3 * 2 = 6）を供給できます。通常、18650セルの定格は1Cのみです。
バッテリーから引き出される最大電流= C定格* Ah定格
充電電流： 注目すべきバッテリーのもう1つの重要な仕様は、充電電流です。バッテリーが最大6Aの電流を供給できるからといって、6Aで充電できるとは限りません。バッテリーの最大充電電流は、バッテリーによって異なるため、バッテリーのデータシートに記載されています。通常は0.5Cで、Ah定格の半分の値を意味します。定格2Ahのバッテリーの場合、充電電流は1A（0.5 * 2 = 1）になります。
充電時間：単一の18650セルが充電するのに必要な最小充電時間は、充電電流の値とバッテリーのAh定格を使用して計算できます。たとえば、1Aの充電電流で2Ahのバッテリーを充電すると、充電器がセルの充電にCC方式のみを使用すると仮定すると、充電には約2時間かかります。
内部抵抗（IR）：バッテリーの状態と容量は、バッテリーの内部抵抗を測定することで予測できます。これは、バッテリーのアノード（正）端子とカソード（負）端子の間の抵抗の値に他なりません。セルのIRの典型的な値は、データシートに記載されています。実際の値から大きくずれると、バッテリーの効率が低下します。 18650セルのIRの値はミリオームの範囲になり、IRの値を測定するための専用の機器があります。
充電方法：リチウムイオンセルを充電するために実践されている方法はたくさんあります。ただし、最も一般的に使用されるのは3ステップトポロジです。 3つのステップは、CC、CV、およびトリクル充電です。でCC（コンスタントカレント：定電流）モードのセルは、入力電圧を変化させることによって充電電流を一定にして充電されます。このモードは、バッテリーが特定のレベルまで充電されるまでアクティブになり、その後CV（定電圧）がアクティブになります。モードは、充電電圧が通常4.2Vに維持されるところから始まります。最後のモードはパルス充電またはトリクル充電で、バッテリーのライフサイクルを改善するために小さな電流パルスがバッテリーに渡されます。 7ステップの充電を含むはるかに複雑な充電器もあります。このトピックはこの記事の範囲から大きく外れているため、このトピックについてはあまり詳しく説明しません。ただし、コメントセクションでの言及に興味がある場合は、リチウムイオンセルの充電に関する別の記事を作成します。
充電状態（SOC）％：充電状態は、携帯電話に表示されているものと同様に、バッテリーの容量に他なりません。バッテリーの容量は、電圧バルブでは簡単に計算できません。通常、電流積分を使用して計算され、時間の経過に伴うバッテリー容量の変化を判断します。
放電深度（DOD）％：バッテリーをどれだけ放電できるかはDODによって示されます。私たちが知っているように、バッテリーが損傷するため、バッテリーが100％放電することはありません。通常、80％の放電深度がすべてのバッテリーに設定されています。
セルの寸法： 18650セルのもう1つのユニークで興味深い機能は、その寸法です。すべてのセルの直径は18mm、高さは650mmであるため、このセルの名前は18650になります。
より多くの用語の定義が必要な場合は、MITバッテリーの用語のドキュメントを調べてください。ここでは、バッテリーに関連するより技術的なパラメーターを見つけることができます。
18650セルを使用する最も簡単な方法
あなたが完全な初心者で、プロジェクトに電力を供給するために18650セルを使い始めたばかりの場合、最も簡単な方法は、18650セルを安全に充電および放電できる既製のモジュールを使用することです。そのようなモジュールだけが、単一の18650セルを処理できるTP4056モジュールです。
プロジェクトで入力電圧として3.6Vを超える電圧が必要な場合は、2つの18650セルを直列に組み合わせて7.4Vの電圧を得ることができます。このような場合は、2S 3Aリチウムイオンバッテリーモジュールのようなモジュールを使用すると、バッテリーを安全に充電および放電するのに役立ちます。
2つ以上の18650セルを組み合わせるには、従来のはんだ付け技術を使用して両方を接続することはできません。代わりに、スポット溶接と呼ばれるプロセスが使用されます。また、18650セルを直列または並列に組み合わせる場合は、次の段落で説明するように、さらに注意を払う必要があります。
リチウムイオン電池パック（直列および並列セル）
小型の携帯用電子機器や小型デバイスに電力を供給するには、単一の18650セルまたは最大でそれらのペアを直列に接続することでうまくいきます。このタイプのアプリケーションでは、関係するバッテリーの数が少ないため、複雑さが軽減されます。しかし、電動自転車/モペットやテスラ車のようなより大きなアプリケーションでは、これらのセルの多くを直列および並列に接続して、目的の出力電圧と容量を実現する必要があります。たとえば、テスラの車には、定格3.7Vと3.1Ahのリチウム電池が6800個以上含まれています。下の写真は、車のシャーシ内にどのように配置されているかを示しています。
監視するセルの数が非常に多いため、これらのセルを安全に充電、監視、および放電できる専用回路が必要です。この専用システムは、バッテリー監視システム（BMS）と呼ばれます。 BMSの仕事は、すべてのリチウムイオン電池の個々の電池電圧を監視し、その温度もチェックすることです。それとは別に、一部のBMSは、システムの充電電流と放電電流も監視します。
3つ以上のセルを組み合わせてパックを形成する場合、それらが同じ化学的性質、電圧、Ah定格、および内部抵抗を持つように注意する必要があります。また、セルを充電している間、BMSはセルが均等に充電され、均等に放電されることを確認して、常にすべてのバッテリーが同じ電圧を維持するようにします。これはセルバランシングと呼ばれます。これとは別に、設計者は、これらのバッテリーが高温時にうまく応答しないため、充電および放電中にこれらのバッテリーを冷却することについても心配する必要があります。
この記事が、リチウムイオン電池に少し自信を持つのに十分な詳細を提供してくれることを願っています。ご不明な点がございましたら、コメント欄にご記入ください。できる限り対応させていただきます。それまでは幸せないじくり回し。