バッテリーは、化学反応を起こして回路内に電子の流れを作り出す1つまたは複数のセルの集まりです。電池技術には多くの研究と進歩があり、その結果、画期的な技術が現在世界中で経験され、使用されています。生成された電気エネルギーを蓄える必要があるため、バッテリーが登場しました。十分な量のエネルギーが生成されていたので、発電が停止したとき、または主電源からの供給につながれ続けることができないスタンドアロンデバイスに電力を供給する必要があるときに使用できるようにエネルギーを保存することが重要でした。ここで、バッテリーに保存できるのはDCのみであり、AC電流は保存できないことに注意してください。
バッテリーセルは通常、3つの主要コンポーネントで構成されています。
- アノード（負極）
- 陰極（正電極）
- 電解質
アノードは、バッテリーが接続されている外部回路に電子を生成する負極です。バッテリーが接続されると、アノードで電子の蓄積が開始され、2つの電極間に電位差が生じます。その後、電子は自然に再分配を試みますが、これは電解質によって防止されるため、電気回路が接続されると、電子がアノードからカソードに移動するための明確な経路が提供され、接続されている回路に電力が供給されます。アノード、カソード、電解質の構築に使用する配置と材料を変更することで、さまざまな種類の電池の化学的性質を実現し、さまざまな種類の電池セルを設計できます。この記事では、さまざまな種類のバッテリーとその使用法を理解しましょう、それでは始めましょう。
電池の種類
バッテリーは一般に、化学組成、サイズ、フォームファクター、ユースケースなど、さまざまなカテゴリとタイプに分類できますが、これらすべての下に2つの主要なバッテリータイプがあります。
- 一次電池
- 二次電池
プライマシーセルとセカンダリセルの主な違いを理解するために、さらに詳しく見ていきましょう。
1.一次電池
一次電池は、使い切ると充電できない電池です。一次電池は、電気化学反応を逆転させることができない電気化学セルでできています。
一次電池は、コイン電池から単三電池までさまざまな形で存在します。これらは通常、充電が実用的でないか不可能なスタンドアロンアプリケーションで使用されます。その良い例は、軍用グレードのデバイスやバッテリー駆動の機器です。バッテリーの充電は兵士の心の最後のことになるので、充電式バッテリーを使用することは実用的ではありません。一次電池は常に高い比エネルギーを持っており、それらが使用されるシステムは、電池を可能な限り長持ちさせるために、常に少量の電力を消費するように設計されています。
一次電池を使用するデバイスの他の例には、次のものがあります。ペースメーカー、アニマルトラッカー、腕時計、リモコン、子供のおもちゃなどがあります。
一次電池の最も人気のあるタイプはアルカリ電池です。それらは高い比エネルギーを持ち、環境に優しく、費用効果が高く、完全に放電しても漏れません。それらは数年間保管でき、安全性の記録があり、国連輸送やその他の規制の対象となることなく航空機で運ぶことができます。アルカリ電池の唯一の欠点は、負荷電流が低いことです。これにより、リモコン、懐中電灯、ポータブルエンターテインメントデバイスなど、電流要件の低いデバイスに使用が制限されます。
2.二次電池
二次電池は、電気化学セルを備えた電池であり、逆方向に特定の電圧を電池に印加することで化学反応を逆にすることができます。二次電池は二次電池とも呼ばれ、一次電池とは異なり、電池のエネルギーが使い果たされた後に再充電することができます。
これらは通常、高ドレインのアプリケーションや、単一充電バッテリーを使用するには高すぎるか実用的でないシナリオで使用されます。小容量の二次電池は、携帯電話などの携帯用電子機器やその他のガジェットや電化製品に電力を供給するために使用され、大型電池は、多様な電気自動車や発電の負荷平準化などの他の高ドレインアプリケーションに電力を供給するために使用されます。また、電力を供給するためのインバーターと一緒にスタンドアロン電源としても使用されます。二次電池を購入するための初期費用は常に一次電池よりもはるかに高いですが、それらは長期的に最も費用効果が高いです。
二次電池は、その化学的性質に基づいて、他のいくつかのタイプにさらに分類できます。これは非常に重要です。なぜなら、化学によって、比エネルギー、サイクル寿命、貯蔵寿命、価格など、バッテリーの属性のいくつかが決まるからです。
以下は、一般的に使用されているさまざまな種類の充電式電池です。
- リチウムイオン（Li-ion）
- ニッケルカドミウム（Ni-Cd）
- ニッケル水素（Ni-MH）
- 鉛蓄電池
1.ニッケルカドミウム電池
ニッケルカドミウム電池（NiCd電池またはNiCad電池）は、水酸化ニッケルと金属カドミウムを電極として使用して開発された充電式電池の一種です。 Ni-Cd電池は、使用しないときの電圧の維持と電荷の保持に優れています。ただし、NI-Cdバッテリーは、部分的に充電されたバッテリーを再充電すると、恐ろしい「メモリー」効果の犠牲になりやすく、バッテリーの将来の容量が低下します。
他のタイプの充電式電池と比較して、Ni-Cd電池は、かなりの容量で低温で優れたライフサイクルと性能を提供しますが、最も重要な利点は、高い放電率で最大定格容量を提供できることです。それらは、アルカリ電池に使用されるサイズ、AAAからDを含むさまざまなサイズで利用できます。Ni-Cdセルは個別に使用されるか、2つ以上のセルのパックに組み立てられます。小さなパックは携帯機器、電子機器、おもちゃに使用され、大きなパックは航空機の始動バッテリー、電気自動車、待機電力に使用されます。
ニッケルカドミウム電池のいくつかの特性を以下に示します。
- 比エネルギー：40-60W-h / kg
- エネルギー密度：50-150 Wh / L
- 比出力：150W / kg
- 充放電効率：70〜90％
- 自己放電率：10％/月
- サイクル耐久性/寿命：2000サイクル
2.ニッケル水素電池
ニッケル水素（Ni-MH）は、充電式電池に使用される別の種類の化学構成です。電池の正極での化学反応はニッケルカドミウム電池（NiCd）の化学反応と似ており、どちらの電池タイプも同じ水酸化ニッケル（NiOOH）を使用しています。ただし、ニッケル水素電池の負極は、NiCd電池に使用されているカドミウムの代わりに水素吸収合金を使用しています。
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NiMHバッテリーは、容量とエネルギー密度が高いため、高ドレインデバイスに適用されます。NiMHバッテリーは、同じサイズのNiCdバッテリーの2〜3倍の容量を持ち、そのエネルギー密度はリチウムイオンバッテリーのエネルギー密度に近づくことができます。NiCd化学とは異なり、NiMH化学に基づく電池は、NiCadが経験する「メモリー」効果の影響を受けません。
以下は、ニッケル-金属水素化物の化学的性質に基づく電池の特性の一部です。
- 比エネルギー：60-120h / kg
- エネルギー密度：140-300 Wh / L
- 比出力：250-1000 W / kg
- 充放電効率：66％〜92％
- 自己放電率：20 ° Cで1.3〜2.9％/月
- サイクル耐久性/寿命：180-2000
3.リチウムイオン電池
リチウムイオン電池は、最も人気のあるタイプの充電式電池の1つです。リチウム電池にはさまざまな種類がありますが、中でもリチウムイオン電池が最も一般的に使用されています。これらのリチウム電池は、電気自動車やその他の携帯用ガジェットの間でさまざまな形で広く使用されています。電気自動車に使用されているバッテリーについて詳しく知りたい場合は、電気自動車のバッテリーに関するこの記事をご覧ください。それらは、携帯電話、スマートデバイス、および家庭で使用される他のいくつかのバッテリー機器を含むさまざまなポータブル機器に見られます。また、軽量であるため、航空宇宙および軍事用途にも使用されています。
リチウムイオン電池は、充電時に負極からのリチウムイオンが正極に移動し、充電時に負極に戻る充電式電池の一種です。リチウムイオン電池は、非充電式リチウム電池で使用される金属リチウムと比較して、1つの電極材料として挿入されたリチウム化合物を使用します。
リチウムイオン電池は、一般に、他の種類の電池と比較して、エネルギー密度が高く、メモリー効果がほとんどまたはまったくなく、自己放電が少ない。性能とコストに加えて、それらの化学的性質は使用例によって異なります。たとえば、ハンドヘルド電子デバイスで使用されるLi-ionバッテリーは通常、リチウムコバルト酸化物（LiCoO 2）をベースにしており、Li-ion中に損傷した場合に高いエネルギー密度と低い安全リスクを提供します。エネルギー密度の低いリチウム鉄リン酸塩をベースにしたバッテリーは、不幸な出来事が発生する可能性が低いため、より安全です。電動工具や医療機器の電力供給に広く使用されています。リチウムイオン電池は最高の性能対重量比を提供し、リチウム硫黄電池は最高の比率を提供します。
リチウムイオン電池の属性のいくつかを以下に示します。
- 比エネルギー：100：265W-h / kg
- エネルギー密度：250：693 Wh / L
- 比出力：250：340 W / kg
- 充放電率：80〜90％
- サイクル耐久性：400：1200サイクル
- 公称セル電圧：NMC 3.6 / 3.85V
4.鉛蓄電池
鉛蓄電池は、ヘビーデューティーアプリケーションで使用される低コストで信頼性の高い電力の主力製品です。それらは通常非常に大きく、その重量のために、ソーラーパネルのエネルギー貯蔵、車両の点火と照明、バックアップ電力、発電/配電における負荷平準化などの非ポータブルアプリケーションで常に使用されます。鉛蓄電池は最も古いタイプの充電式バッテリーであり、今日の世界にとって依然として非常に関連性があり重要です。鉛蓄電池は、エネルギー対体積およびエネルギー対重量比が非常に低いですが、パワーウェイトレシオが比較的大きいため、必要に応じて巨大なサージ電流を供給することができます。これらの特性と低コストにより、これらのバッテリーは、自動車のスターターモーターへの電力供給やバックアップ電源への保管など、いくつかの大電流アプリケーションでの使用に魅力的です。さまざまな種類の鉛蓄電池、その構造、および用途について詳しく知りたい場合は、鉛蓄電池の動作に関する記事を確認することもできます。
これらのバッテリーにはそれぞれ最適な領域があり、下の画像はどちらかを選択するのに役立ちます。
アプリケーションに適したバッテリーの選択
IoTのような技術革命を妨げる主な問題の1つは電力です。バッテリーの寿命は、長いバッテリー寿命を必要とするデバイスの展開の成功に影響します。バッテリーを長持ちさせるためにいくつかの電源管理技術が採用されていますが、互換性のあるバッテリーを選択する必要があります。望ましい結果を達成するために。
以下は、プロジェクトに適したタイプのバッテリーを選択する際に考慮すべきいくつかの要因です。
1.エネルギー密度： エネルギー密度は、単位質量または単位体積あたりに蓄積できるエネルギーの総量です。これにより、デバイスが再充電が必要になるまでのオン状態が決まります。
2.電力密度：単位質量または体積あたりの最大エネルギー放出率。低電力：ラップトップ、i-pod。ハイパワー：電動工具。
3.安全性：構築しているデバイスが機能する温度を考慮することが重要です。高温では、特定のバッテリーコンポーネントが故障し、発熱反応を起こす可能性があります。高温は一般的にほとんどのバッテリーの性能を低下させます。
4.ライフサイクルの耐久性：ほとんどのアプリケーションで必要とされる長いバッテリー寿命には、サイクル（充電と放電）を繰り返すバッテリーのエネルギー密度と電力密度の安定性が必要です。
5.コスト：コストは、行うエンジニアリング上の決定の重要な部分です。選択したバッテリーのコストがそのパフォーマンスに見合ったものであり、プロジェクトの全体的なコストを異常に増加させないことが重要です。