さまざまなバッテリーの化学的性質の紹介

異なるバッテリータイプが存在する理由

電気化学エネルギー貯蔵の分野では、数多くのバッテリータイプが作られてきました。様々なアプリケーションでの要求の違いが、これらのユニークなバッテリーの化学的性質の開発につながりました。エネルギー密度、電力密度、サイクル寿命、安全性、温度感度、コスト、環境への影響の観点から、多くのアプリケーションには特定の要件があります。例えば、ペースメーカーのバッテリーは非常に信頼性が高く、寿命が長い必要がありますが、電気自動車のバッテリーは大きなエネルギーと電力密度を必要とします。したがって、バッテリーの化学的性質のどれもすべてのアプリケーションに適しておらず、多くのバッテリータイプが作成されており、それぞれが特性とトレードオフの独自の組み合わせをもっています。

各バッテリータイプに共通するアプリケーション

鉛蓄電池: これらは1世紀以上の間使用されており、信頼性があり、手頃な価格であることで有名です。それらは低いエネルギー密度および重量のために重量が決定な問題ではない場合に役立ちます。バックアップ電源 (UPS)、自動車用始動バッテリー、再生可能エネルギー貯蔵などが代表的なアプリケーションです。

ニッケル水素 (NiMH) 電池: ニッケルカドミウム電池と比較して、この電池はより高いエネルギー密度を有し、より環境にやさしくなります。それらは充電式の単三電池および単四電池、特定の古いモデルの電気自動車およびハイブリッドの電気自動車で頻繁に見られます。

リチウムイオン (Li-ion) 電池: リチウムイオン電池は、スマートフォンやラップトップなどの携帯機器の業界標準として確立されています。高エネルギー密度、低重量、柔軟性のために電気自動車にも広く利用されています。

リン酸リチウム (LiFePO4) 電池: リチウムイオン電池の亜種であるLiFePO4電池は、サイクル寿命が長く、熱的に安定しているため、より安全です。安全性やサイクル寿命が重要な電気自動車、電力機器、大規模エネルギー貯蔵などに利用されています。

ニッケルカドミウム (NiCd) バッテリー: このバッテリーは長いサイクル寿命を持ち、大きな電流を発生させることができることで知られています。しかし、カドミウムを含むため、メモリー効果があり、環境にやさしくありません。これらは、双方向無線や電力機器のようなデバイスで利用されています。

固体電池: 新しい技術である固体電池は、電解質として液体やポリマーではなく固体電解質を使用します。これによりエネルギー密度が向上し、安全性が向上する可能性があります。開発段階にあるにもかかわらず、それらは電気自動車および携帯ガジェットのための実行可能な選択です。

フロー電池: これらの電池は、液体電解質にエネルギーを蓄えるため、大容量でサイクル寿命が長くなります。特にグリッドスケールのエネルギー貯蔵アプリケーションに適しています。

空気亜鉛電池: それらはリーズナブルな価格であり、高いエネルギー密度を有します。補聴器によく用いられますが、グリッドストレージや電気自動車へのアプリケーションも検討されています。

様々なアプリケーションの固有の要求を満たすために、いくつかのバッテリーの化学的構造が開発されています。特定のアプリケーションに適したバッテリーを選択するには、各バッテリーのタイプの基礎となる化学的性質を理解する必要があります。

以下の画像は、エネルギー密度に応じてさまざまな種類のバッテリーをどう使用するかを示しています。

図4 : 電池の重量測定と体積エネルギー密度の比較

鉛蓄電池

化学的性質と動作

最初に開発された二次電池の一つは鉛蓄電池であり、それ以来19世紀半ばに鉛蓄電池の基本的な動作の基礎となる化学的構造は何も変わっていません。二酸化鉛は鉛酸蓄電池の正極、スポンジ鉛は負極、電解質 (硫酸溶液) は電池の必須要素になります。

硫酸鉛と水は、電池の放電時に硫酸電解質と二酸化鉛 (正極板) およびスポンジ鉛 (負極板) との反応によって生成されます。この反応によって、外部の物体に電力を供給するために使用できる電流が生成されます。

放電中 : PbO2 + Pb + 2H2SO4 -> 2PbSO4 + 2H2O +エネルギー

バッテリーが再充電される時点で、外部電圧が供給され、硫酸鉛は二酸化鉛とスポンジ鉛に変換され、硫酸はリサイクルされます。

充電中 : 2PbSO4 + 2H2O +エネルギー-> PbO2 + Pb + 2H2SO4

鉛酸蓄電池が使用するこの可逆的な化学反応により、充放電を数サイクル繰り返すことができます。しかし、より近代的なバッテリー技術と比較すると、鉛蓄電池は効果が低く、エネルギー重量比が低くなります。長期間排出されると、硫酸化も起こりやすく、寿命と性能を低下させる可能性があります。

アプリケーション : 自動車、UPSなど

鉛蓄電池は、その信頼性、確立された生産技術、および手頃な価格のために欠点があるにもかかわらず、多くのアプリケーションで役立ちます。

自動車: このバッテリーは内燃機関の自動車の起動バッテリーとして最も頻繁に使用されます。これらは短時間大電流を供給してエンジンをクランキングするために使用されます。バッテリーは、エンジンが作動すると車両のオルタネータによって再充電されます。

無停電電源装置 (UPS): 鉛蓄電池は、データセンタや重要なインフラで主電源が失われた場合のバックアップ電源として利用されます。短期間で大きな力を発揮する能力があるため、このポジションで珍重されます。

再生可能エネルギー貯蔵: オフグリッドとグリッド接続された再生可能エネルギー源の両方でエネルギー貯蔵は鉛蓄電池を使用します。太陽光や風力タービンのようなエネルギー源からの大量のエネルギーは蓄えられ、必要に応じて放出されます。

電動車椅子とゴルフカート: 鉛蓄電池は電気車椅子やゴルフカートなどでは、高電流を発生させる能力があり、比較的安価であることから、よく使用されています。

緊急ライティングおよびアラームシステム: 非常用照明や警報システムでは、信頼性の高い性能が不可欠な場合に鉛酸蓄電池を使用します。

ニッケル水素 (NiMH) 電池

化学的性質と動作

充電式ニッケル水素 (NiMH) 電池は家電産業で広く使われており、近年では自動車のアプリケーションにも使われています。NiMH電池の化学的性質は、アルカリ電解質、しばしば水酸化カリウム (KOH)、通常は金属水素化物 (通常はランタン、セリウム、ネオジム、その他の希土類金属の合金) から生成される負極、および水酸化ニッケル (NiOH) からなる正極で構成されます。

充電および放電操作全体で行われる主な電気化学プロセスは次のとおりです。

充電中:

• 正極 (NiOOH + H2O + e- -> Ni(OH)2 + OH-)
• 負極 (MH + OH- -> M + H2O + e-)

放電中:

• 正極 (Ni(OH)2 + OH- -> NiOOH + H2O + e-)
• 負極 (M + H2O -> MH + OH-)

これらの可逆反応は電池を複数回充電します。NiMH電池は、前身であるニッケルカドミウム (NiCd) 電池よりも高いエネルギー密度を持っています。これに加えて、NiCd電池と比較して、これらのNiMH電池は「メモリ効果」に苦しむことなく、完全な放電サイクルを必要とせずに容量を維持できます。

アプリケーション : ハイブリッド車、充電式単三 / 単四など

ハイブリッドカー: 自動車分野では、NiMH電池は、特にハイブリッド電気自動車 (HEV) に頻繁に使用されます。これは性能、エネルギー密度および手頃な価格の間でよいバランスが良いため、ハイブリッド車の電力のニーズに最適です。過酷な車載環境では、その強靭性と、厳しい充放電サイクルに耐える能力が役に立ちます。NiMH電池はリチウムイオン電池よりもかなり安全であると考えられており、これはHEV自動車の大きなプラスでもあります。しかし、これらはエネルギー密度が低いため、EVと比較してアプローチがあまりありません。

充電式単三 / 単四電池: NiMH電池は家電製品における二次電池の業界標準として確立されています。これらは高いエネルギー密度および多数の充電可能な機能により、単回使用のアルカリ電池よりも費用効果が高く、環境に優しくなっています。

電動工具: 大きな電流引き込みが必要なコードレス電動工具では、NiMH電池が採用されています。それらはモータに必要な電力を供給することができ、再充電することもできるので頻繁に交換する必要がありません。

緊急ライティングシステム: NiMH電池は、その信頼性と充電性のために継続的な準備と性能が重要であるときに緊急ライティングシステムのための一般的な選択肢です。

リチウムイオン (Li-ion) 電池

化学的性質と動作

充電式リチウムイオンバッテリーは、家電製品、電気自動車、グリッド蓄電などの様々なアプリケーションで選択される技術です。他の二次電池と比較した場合、これは主に高いエネルギー密度、低い自己放電、そして優れたサイクル能力によります。

正極と負極の間のリチウムイオンの流れは、リチウムイオン電池の基本的な化学的構造を構成します。正極 (陰極) を作るために、コバルト酸化リチウム (LiCoO2) やマンガン酸化リチウム (LiMn2O4) やリン酸リチウムのような近縁物質が一般的に用いられます。黒鉛は負極 (アノード) としてよく使用されます。どうやら有機溶媒中のリチウム塩が電解質として機能するようです。

充電および放電中には、次の電気化学的プロセスが発生します。

充電中:

• カソード: LiCoO2 -> Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe-
• アノード: xLi+ + xe- + 6C -> LixC6

放電中:

• カソード: Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- -> LiCoO2
• アノード: LixC6 -> xLi+ + xe- + 6C

リチウムイオンは充電プロセス中に正極から負極に移動します。イオンは放電中に正極に戻ります。

リチウムイオン電池を使用する場合は、充電および放電サイクルを慎重に制御することが不可欠です。電池が不安定になり、有害になる可能性がある過充電または深い放電を避けることができます。

アプリケーション : スマートフォン、ラップトップ、電気自動車など

スマートフォンと携帯電子機器: スマートフォンやその他の携帯電子機器は、リチウムイオン電池を頻繁に使用します。軽量化や小型化が重要で、バッテリーの長寿命化が求められるアプリケーションに最適です。これは、高いエネルギー密度および最小限の自己放電により可能です。

ラップトップ: リチウムイオン電池は、スマートフォン用と同様に、ラップトップコンピュータに好まれる選択肢です。電池は小型軽量で長時間充電が可能である必要があり、リチウムイオン技術はこれらのニーズに最適です。

電気自動車 (EV): 電気自動車はリチウムイオン電池の最も革新的な用途の一つです。リチウムイオン電池は、一回の充電で許容範囲を得るために不可欠な高エネルギー密度であり、自動車業界ではEVの標準規格として採用されています。しかし、熱リスクのリスクが高まっています。

エネルギー貯蔵システム (ESS): リチウムイオン電池は、再生可能エネルギー源の増加に伴い、エネルギー貯蔵システムに使用されてきました。これらは、例えば太陽光パネルや風力タービンによって生成された余剰エネルギーを貯蔵するために使用され、太陽も風もない場合に後で使用することができます。

電動工具とドローン: リチウムイオン電池は、大電流を放電する能力と軽量で小型であることから、電動工具やドローンのような高性能アプリケーションに好まれています。

リチウム鉄リン酸電池

化学的性質と動作

カソードとしてリン酸リチウムを使用する電池は、LiFePO4電池として知られており、LFP電池としても知られています。熱安定性、安全性の向上、サイクル寿命の延長など、他のリチウムイオンの化学的構造と比較して大きな利点があるため、この化学的構造はますます一般的になってきています。

陽極は一般にグラファイトで構成され、陰極はリン酸リチウムであり、電解質はLiFePO4電池の有機溶媒中のリチウム塩です。充放電過程で起こる基本的な電気化学反応は以下の通りです。

充電中:

• カソード: FePO4 + Li+ + e- -> LiFePO4
• アノード: C + Li+ + e- -> LiC6

放電中:

• カソード: LiFePO4 -> FePO4 + Li+ + e-
• アノード: LiC6 -> C + Li+ + e-

酸素が放出されないことは、従来のリチウムイオン化学的構造では熱暴走を引き起こす可能性があり、LiFePO4電池の重要な特徴の1つです。これは、特に高温または機械的損傷にさらされたときの安全性の程度を高めます。この安全性の向上は、鉛酸電池やニッケル水素電池と同等ではないことに注意することが重要です。

LiFePO4も比較的平坦な放電曲線を示しています。その結果、バッテリー放電中も電圧は一定のレベルを維持し、安定した出力電圧を必要とするアプリケーションに役立ちます。

アプリケーション : エネルギー貯蔵、車両、UPSなど

エネルギー貯蔵システム (ESS): 太陽光や風力などの再生可能エネルギー源と組み合わせて使用されるような定置型エネルギー貯蔵システムには、LiFePO4電池が適しています。長いサイクル寿命、安全性、熱安定性のため、このアプリケーションに最適です。

電気自動車 (EV): その高い熱安定性と安全性のため、LiFePO4電池は一部の電気自動車メーカーによって別のリチウムイオンの化学的構造よりも選ばれています。他のリチウムイオンの化学的構造よりもエネルギー密度がやや低いにもかかわらず、長いサイクル寿命をもつため電気自動車において大きな利益をもたらすことができます。

無停電電源装置 (UPS): LiFePO4電池は、安全性と長いサイクル寿命のため、UPSシステムにとって望ましい代替品です。UPSシステムには、停電時に安定した電源を供給するための大きな信頼性が必要です。

レクリエーション用車両 (RV) および船舶アプリケーション: LiFePO4電池は、過酷な作業条件に耐えることができ、優れた熱安定性を有するため、RVや船舶のアプリケーションに使用されています。

携帯パワーパックとeバイク: 信頼性、安全性、軽量設計により、電動自転車やポータブルパワーパックに最適です。

その他のバッテリータイプ

ニッケルカドミウム (NiCd)

ニッケルカドミウム電池としてよく知られる、NiCd電池、または、NiCad電池、は、金属カドミウムと水酸化ニッケルを電極材料として使用する二次電池です。カドミウム (CD) が負極として働き、水酸化ニッケル (NiOOH) が正極として働きます。通常、水酸化カリウム (KOH) が電解質として機能します。以下はNiCd電池における充放電反応です。

充電中:

• 正極: Ni(OH)2 + OH- -> NiOOH + H2O + e-
• 負極: Cd + 2OH- -> Cd(OH)2 + 2e-

放電中:

• 正極: NiOOH + H2O + e- -> Ni(OH)2 + OH-
• 負極: Cd(OH)2 + 2e- -> Cd + 2OH-

NiCd電池は、多数の充放電サイクルに耐えることができ、保存寿命が長くなります。しかし、メモリー効果と危険なカドミウムがあるため、そのほとんどが環境にやさしい代替品に置き換わっています。

固体電池

電解質と電極の両方に固体材料を使用することで、固体電池はエネルギーを貯蔵する革新的な方法を約束します。セラミックス、ポリマー、またはそれらの混合物はすべて固体電解質を作るために使用できます。この設計では、可燃性または漏れやすい液体またはゲル電解質が不要です。固体電池は、従来の液体型リチウムイオン電池と比較して、エネルギー密度の向上、安全性の向上、サイクル寿命の延長などの可能性があると考えられています。しかし、この技術にはまだ克服すべき課題がいくつかあります。現在、製造コストが大規模生産を妨げています。固体電池では、電極対電解質界面抵抗と電解質抵抗の両方が大きくなります。充放電活動が発生すると、固体電解質の内部に亀裂が頻繁に発生します。

フロー電池

レドックスフロー電池、またはフロー電池は、バッテリーセルの外部にある液体電解質溶液にエネルギーを蓄える特殊な二次電池です。充放電に必要なイオン交換は、膜によって互いに物理的に分離されたセル内の電極を介して電解質をポンピングすることによって促進されます。エネルギー容量と出力のスケーリングは、このアーキテクチャのおかげで別々に行うことができます。フロー電池は、その拡張性、高いサイクル寿命、長期間のエネルギー放電能力などから、グリッド貯蔵などの大規模なエネルギー貯蔵アプリケーションに特に適しています。

空気亜鉛電池

空気亜鉛電池と呼ばれる金属空気電池は、周囲の空気からの酸素で亜鉛を酸化することでエネルギーを得ます。これらの電池は高いエネルギー密度および軽い重量により、さまざまなアプリケーションで魅力的な代替品になります。酸化亜鉛、電解質 (しばしば水酸化カリウム)、空気が浸透する多孔質形状のカソードが必須の構成要素です。亜鉛が放出されると酸化されて酸化亜鉛が生成され、その過程でエネルギーが放出されます。空気亜鉛電池はエネルギー密度が高く、低コストで補聴器によく使われており、電気自動車やグリッド蓄電などの大規模なアプリケーションでも検討されています。