モバイル化が進むシステムが増えるにつれ、バッテリーは設計においてますます不可欠なものになってきています。さまざまな形、サイズ、機能のものがありますが、すべての課題に完璧に対応できるものはありません。
鉛蓄電池
鉛蓄電池* バッテリー は1859年から存在しており、最も一般的な充電式バッテリー ソリューションです。従来の主力バッテリーである鉛蓄電池は、通常、セルあたり2Vの12Vまたは6Vで提供され、小型バイクから自動車、さらには停電時に携帯電話の塔を維持するのに役立つ巨大なバッテリー バンクまで、さまざまな用途に対応できるさまざまな容量があります。
利点
鉛蓄電池の主な利点の1つは、エネルギー密度とは異なる高い電力密度です。デバイスの電力密度が高いということは、一定期間にわたって高電流の供給を維持できることを意味します。この高い電流容量により、鉛蓄電池は、大型の8気筒ディーゼル エンジンで最大650 Aを必要とするエンジンの始動をサポートするために、車両で非常に一般的に使用されています。実績のある鉛蓄電池に優位性を与えるもう1つの要素は、その広い温度範囲の機能性です。鉛蓄電池パックは、一般的に、競合する化学物質よりも高温および低温に耐えることができ、それでも正常に機能します。
鉛蓄電池は、電話センターやコンピューターセンター、グリッドエネルギー貯蔵ソリューション、無停電電源システム（UPS）などのバックアップ電源システムにも一般的に使用されています。このようなシステムは、インターネット接続を追加し、IoTの一部になりつつあります。たとえば、UPSシステムはインターネットにリンクして、パフォーマンス監視用のデータを報告します。これにより、UPSシステムはリモートでステータスを通信し、メンテナンスが必要なときや停電中に起動されたときに信号を送れます。
欠点
鉛蓄電池は、適切な用途で使用すると素晴らしい効果を発揮しますが、大きなトレードオフもあります。電力密度は高いですが、エネルギー密度は低いため、他のポータブル電源システムと比較すると、より多くのスペースと重量を占めることになります。スマートウォッチのようなアプリケーションでは、巨大な鉛の重量のバッテリーを取り付けるのは非現実的ですが、車両の場合、余分な重量はそれほど問題にならないかもしれません。
鉛蓄電池は、システムの重量やスペースに制約がなく、大量の電流を流す能力と耐久性のある電池電源が必要な場合に使用します。本質的に、鉛蓄電池はエネルギー密度のスケールの下限に位置しますが、今日の軽量でポータブルな世界では人気を失った、よく知られた「古くからある信頼性の高い」電池ソリューションです。
アルカリ
誰もが「バッテリー」という言葉を聞くと、すぐに単3形または単4形のアルカリ電池のようなものを思い浮かべます。現在ではほぼすべてのバッテリーの化学組成がこれらのフォームファクターで見つかりますが、 アルカリ* バッテリー は、家庭用バッテリーに関連付けられるフォームファクターでほぼ独占的に見つかります。一般的な経験則として、単3形アルカリ電池は、約1.5 Vの一般的な電圧で700 mAの電流を供給できるため、家庭用のハンドヘルド電子機器で非常に一般的に使用されています。アルカリ電池はニッケル水素電池よりもエネルギー密度が高く、一部の充電式リチウムイオン電池よりもエネルギー密度が高くなっています。
欠点
アルカリ電池の主な欠点の1つは、一般に「電池液」と呼ばれるもの、より深刻には水酸化カリウムが漏れやすいことです。これは、使用によるものでも徐々に自己放電したものでも、電池の放電によって起こります。アルカリ電池が放電すると、水素ガスが発生し、電池内に内圧がかかります。この圧力によって最終的に電池壁が破裂し、水酸化カリウムが漏れ出します。水酸化カリウムはCO2と反応して、有毒で刺激性のある結晶性炭酸カリウムを形成します。これは、古い電池の側面に付着している不快な白い物質としてよく知られています。知れば知るほど、アルカリ電池は歴史的に1996年まで水銀を使って製造されていたため、廃棄するのが大変でした。
アルカリ電池は、CDプレーヤーやテレビのリモコンからTickle-Me Elmoまで、さまざまな用途に使用されてきました。実際、過去30年間のほぼすべての子供のおもちゃに当てはまります。大型の懐中電灯やステレオなど、より高い電流を必要とする機器には、Cセル電池やDセル電池など、より大きなフォームファクタのアルカリ電池も使用されています。
ニッケル水素/ニッケルカドミウム
エネルギー密度のスケールで次に来るのは ニッケル水素電池*とニッケルカドミウム電池です。NiMHバッテリーとNiCDバッテリーはどちらも機能面で同等の位置を占めていますが、NiCDセルは毒性があるため、特定の用途を除いて欧州連合内で禁止されているため、NiMHに急速に置き換えられつつあります。NiMHバッテリーはNiCDバッテリーよりもエネルギー密度が約30 ～ 40% 高くなりますが、一般的に過充電に対する耐性は低くなります。 NiMHバッテリーはメモリの問題の影響を受けにくいですが、自己放電率も高いため、再充電が必要になるまでの保管寿命が短くなります。どちらの化学組成も、一般的にセルあたり約1.2 Vを許容し、優れた電流処理能力を備えています。
スペースと重量に懸念があるものの、十分な電流出力が必要なシステムでは、NiMHセルを使用することで手頃なソリューションを実現できます。リチウムイオン電池などよりもNiMH電池を使用する主な理由はコストとサイクル寿命ですが、新しい電池技術により、これら2つの要因は軽減されています。リチウムイオン電池はほとんどのポータブル電子機器製品の市場シェアを獲得していますが、将来的にはインターネットに接続された消費者向けデバイスでニッケル水素電池が使用されるようになるかもしれません。
利点
Ni-Cdバッテリーの大きな利点の1つは、他の充電式技術に比べて低コストで提供されることです。Ni-Cdは耐久性も高く、低温などの厳しい条件下でも優れた性能を発揮します。高いサージ電流を供給できる能力を備えたNi-Cdバッテリーは、リモート制御アプリケーションでの使用に最適です。そのため、Ni-Cdはドローンにも使用され始めており、現在ではIoTに加わっています。
NiCDとNiMHは、鉛蓄電池やアルカリ電池よりもエネルギー密度が高いため、ポータブル システム、特に適切な電流出力を必要とするポータブル電動工具で広く使用されています。こうした製品ではリチウムイオン電池が市場シェアを獲得していますが、将来的にはインターネットに接続された消費者向けデバイスでニッケル水素電池が使用されるようになるかもしれません。
リチウムイオン電池の素晴らしさを讃える
ああ、ついに！あなたが待っていたもの。
ソニー株式会社が1991年に最初の商用充電式 リチウムイオン*電池 を発売して以来、この技術はエネルギー貯蔵技術として急速に受け入れられてきました。 「リチウムイオン」という用語は、すべてが同じではなく、リチウムベースのアノードと別の材料のカソードを特徴とする 広範囲の化学物質 を包含するため、少し誤解を招く可能性があります。これらのセルの材料をさまざまな用途に合わせて最適化するための作業が数多く行われており、特定のセルを決定する前にそれらのトレードオフを検討する必要があります。一般的なセル電圧は3.6V ～ 3.8Vですが、高電流を処理する能力には限界があります。
利点
リチウムイオン電池の 大きな利点 の1つは、体積エネルギー密度が高いことです。つまり、一定のスペースに蓄えられる電気の量です。リチウムイオン電池の体積エネルギー密度は、1リットルあたり最大620ワット時（W-h/l）です。これは、代替充電式バッテリー技術であるニッケルカドミウム（NiCD）バッテリーの密度（最大150 W-h/l）の4倍以上です。この高密度は、携帯電話などのスペースが限られた製品に適したリチウムイオンの特徴の1つです。
リチウムイオン電池は、他の充電式電池タイプに見られるメモリ効果の影響も受けにくいです。メモリ効果とは、特定のバッテリーが繰り返し充電されて完全に放電されないと、充電容量が失われる傾向を指します。これらの特性により、リチウムイオンは長寿命と低メンテナンスが重要となるアプリケーションで受け入れられるようになりました。これらは、テスラが電気自動車やパワーウォール太陽エネルギー貯蔵システムにリチウムイオンを使用する重要な要素です。さらに、リチウムイオン電池は新しい材料や構造の使用により技術的な改善が進められており、容量が増加し、充電時間が短縮されています。
最近の構造と化学の変化により、リチウムイオン電池の全体的な容量が大幅に向上しました。これらの高定格セルは、マルチローター機などの航空機システムで人気が高まっています。現時点では、ほとんどのポータブル システムでは、リチウム ベースのソリューションをお勧めします。これは、同等のNiMHまたは鉛蓄電池ソリューションよりも一般的に高価ですが、軽量でコンパクトであるため、設計の柔軟性が得られます。
欠点
リチウムイオン技術は完璧ではなく、いくつかの欠点があります。最も注目すべきは、ある推定によれば、リチウムイオン電池は代替電池よりもコストが高く、ニッケルカドミウム（Ni-Cd）電池よりも40パーセントも高価だということだ。リチウムイオン電池も経年劣化の影響を受け、時間の経過とともにバッテリーが保持できる充電量が減少します。ただし、リチウムイオンの選択肢の1つは、リチウム/二酸化マンガン (Li/MnO2) を使用するCR2032コイン電池です。このタイプのバッテリーは電子時計によく使用され、長時間の充電が必要な小型デバイスに役立ちます。
リチウムベースのソリューションに関するもう1つの注意点は、充電時や放電時にストレスにうまく対処できないという厄介な性質があることです。リチウム電池に負荷がかかり、適切に保護されていない場合、火災が発生したり、ボーイング787ドリームライナーで最近発生したような爆発が発生するおそれがあります。リチウム電池でこの問題に対処するには、鉛蓄電池やニッケル水素電池の場合よりも保護のための設計作業がさらに必要になります。リチウムイオン電池の危険性について詳しく知るには、 「続きを読む」をクリックしてください。
バッテリーのバッテリー
リチウムベースのバッテリーは現代のテクノロジーで最も一般的に使用されているバッテリーで、リチウムイオン（Li-ion）はテスラのPowerwallやAppleのiPad/iPhoneなどの主力製品に使用されています。 ただし、リチウムイオン電池とその派生品は、すべてのアプリケーションやすべての IoTデバイスにとって必ずしも最適な選択肢であるとは限りません。使用方法に応じてより適切な代替バッテリー化学物質が多数用意されています。
特定のウェアラブルなど、電力使用量が少ない大量使用のアプリケーションの場合、アルカリ電池で十分な場合があります。アルカリ電池は安価で、電子時計に使用される小さなCR1216デバイスから巨大なDセルまで、さまざまなサプライヤーから標準サイズで入手できます。心臓や血圧のモニタリング システムなど、ユーザーがメンテナンスできるその他のデバイスの場合、AAやAAA などの標準サイズの電池で十分です。他のシステムでは充電式バッテリーが必要です。リチウムイオンの他に、一般的な充電式電池の種類としては、ニッケル水素電池、ニッケル水素 (NiMH) 電池、鉛蓄電池などがあります。
さまざまなバッテリー化学の安全性に関する懸念について詳しくは、 続きを読む
*特定のバッテリー化学を検索するには (例:バッテリーの種類（リチウム、ニッケル水素、アルカリ）を選択するには、 バッテリー ページのパラメトリック検索バーを使用し、 化学組成 カテゴリに移動して検索するか、スクロールして目的のバッテリー化学組成を選択します。
