バッテリーはハードウェアで最も重要な電子機器です。しかし、ハードウェアに適したカスタマイズされたリチウム イオン バッテリーを確実に選択するにはどうすればよいでしょうか?
この記事には、この質問を説明する 2 つのパートが含まれています。パート 1 では、消費者向けアプリケーションに適切なバッテリを選択する際の重要な考慮事項について説明します。これらには、充電可能性、エネルギー密度、電力密度、保存期間、安全性、フォームファクター、コスト、柔軟性が含まれます。パート 2 では、化学物質が重要なバッテリー指標にどのような影響を与えるか、したがってアプリケーションのバッテリー選択にどのような影響を与えるかを見ていきます。パート 3 では、一般的な二次電池の化学について見ていきます。
バッテリーを選択する際の重要な考慮事項は次のとおりです。
1. 一次電池と二次電池 – バッテリ選択の最初の選択肢の 1 つは、アプリケーションに一次電池 (使い捨て) が必要か、それとも二次 (充電式) 電池が必要かを決定することです。ほとんどの場合、これはデザイナーにとって簡単な決定です。時折断続的に使用される用途 (煙警報器、おもちゃ、懐中電灯など) や充電が現実的ではない使い捨て用途では、一次電池の使用が保証されます。補聴器、時計 (スマートウォッチは例外)、グリーティング カード、ペースメーカーなどが良い例です。ラップトップ、携帯電話、スマートウォッチなど、バッテリーを継続的に長時間使用する場合には、充電式バッテリーの方が適しています。
一次電池は自己放電率がはるかに低いため、初めて使用する前に充電が不可能な場合や実用的な場合には、魅力的な機能です。二次電池は、より高い割合でエネルギーを失う傾向があります。再充電機能があるため、これはほとんどのアプリケーションではそれほど重要ではありません。
2. エネルギーと電力 - バッテリーの実行時間は、mAh または Ah で表されるバッテリー容量によって決まります。これは、バッテリーが時間の経過とともに提供できる放電電流です。
異なる化学的性質のバッテリーを比較する場合、エネルギー含有量に注目すると役に立ちます。バッテリーのエネルギー内容を取得するには、バッテリー容量 (Ah) に電圧を乗じて、エネルギー (Wh) を取得します。たとえば、1.2 V のニッケル水素電池と 3.2 V のリチウムイオン電池は同じ容量ですが、リチウムイオンの電圧が高いほどエネルギーが増加します。
開回路電圧はエネルギー計算 (つまり、負荷に接続されていないときのバッテリー電圧) で一般的に使用されます。ただし、容量とエネルギーは両方ともドレイン速度に大きく依存します。理論上の容量は、活性電極の材料 (化学) と活性質量によってのみ決まります。しかし、実際の電池は、不活性物質の存在と反応速度の制限により理論上の数値のほんの一部しか達成できず、活物質の完全な使用と電極上での放電生成物の蓄積が妨げられます。
バッテリーメーカーは多くの場合、特定の放電速度、温度、カットオフ電圧での容量を指定します。指定された容量は、3 つの要素すべてによって決まります。メーカーの容量定格を比較するときは、特に排水速度に注目してください。スペックシート上では高容量に見えるバッテリーでも、アプリケーションの消費電流が大きい場合、実際には性能が低下する可能性があります。たとえば、20 時間の放電で 2 Ah 定格のバッテリーは、1 時間で 2 A を供給できず、容量の一部しか提供できません。
高出力のバッテリーは、電動工具や自動車スターターバッテリー用途など、高い消耗率での急速放電機能を提供します。通常、高出力バッテリーはエネルギー密度が低くなります。
電力とエネルギーの良い例えは、注ぎ口のあるバケツを考えることです。大きなバケツはより多くの水を保持でき、高エネルギーのバッテリーに似ています。水がバケツから出る開口部または注ぎ口のサイズは電力に似ており、電力が大きいほど排水速度も高くなります。エネルギーを増やすには、通常、(特定の化学反応に対して) バッテリーのサイズを大きくしますが、電力を増やすには内部抵抗を減らします。セルの構造は、高出力密度のバッテリーを得る上で大きな役割を果たします。
電池の教科書から、さまざまな化学物質の理論的エネルギー密度と実際的なエネルギー密度を比較できるはずです。ただし、電力密度はバッテリーの構造に大きく依存するため、これらの値がリストされているのを見つけることはほとんどありません。
3. 電圧 – バッテリーの動作電圧も重要な考慮事項であり、使用される電極材料によって決まります。ここで有用な電池の分類は、水性または水ベースの電池とリチウムベースの化学的性質を考慮することです。鉛酸、亜鉛炭素、およびニッケル水素はすべて水ベースの電解液を使用し、公称電圧の範囲は 1.2 ～ 2 V です。一方、リチウムベースの電池は有機電解液を使用し、公称電圧は 3.2 ～ 4 V (一次および両方とも) です。二次）。
多くの電子部品は、最低電圧 3 V で動作します。リチウムベースの化学薬品の動作電圧が高いため、2 つまたは 3 つの水ベースのセルを直列に使用するのではなく、単一のセルを使用して必要な電圧を構成できます。
もう 1 つ注意すべきことは、亜鉛 MnO2 などの一部のバッテリーの化学的性質は傾斜した放電曲線を持ち、他のバッテリーは平坦なプロファイルを持つことです。これはカットオフ電圧に影響します(図3)。
図 3: バッテリーの化学的性質に基づく電圧プロット
VTC 電源電圧プロット バッテリーと化学反応
4. 温度範囲 – バッテリーの化学的性質により、アプリケーションの温度範囲が決まります。たとえば、水性電解質ベースの亜鉛炭素電池は 0°C 未満では使用できません。アルカリ電池も、亜鉛炭素ほどではありませんが、これらの温度では容量が急激に低下します。有機電解液を使用したリチウム一次電池は -40°C まで動作可能ですが、性能が大幅に低下します。
充電式アプリケーションでは、リチウムイオン電池は約 20° ～ 45°C の狭い範囲内でのみ最大レートで充電できます。この温度範囲を超えると、より低い電流/電圧を使用する必要があり、充電時間が長くなります。 5°C または 10°C 未満の温度では、熱暴走の危険性が高まる恐ろしいリチウム樹枝状メッキの問題を防ぐためにトリクル充電が必要になる場合があります (その結果、リチウムベースのバッテリーが爆発する可能性があるという話を誰もが聞いたことがあるでしょう)過充電、低温または高温での充電、または汚染物質によるショート）。
その他の考慮事項には次のものが含まれます。
5. 保管寿命 – これは、バッテリーが使用されるまで倉庫または棚に保管される期間を指します。一次電池は二次電池よりもはるかに長い保存寿命を持っています。ただし、二次電池には再充電機能があるため、一般に保存期間は一次電池の方が重要です。例外は、再充電が現実的でない場合です。
6. 化学 – 上記の特性の多くは細胞の化学によって決まります。このブログシリーズの次回のパートでは、一般的に入手可能なバッテリーの化学的性質について説明します。
7. 物理的なサイズと形状 – 電池は通常、ボタン/コイン型電池、円筒型電池、角柱型電池、およびパウチ型電池 (そのほとんどは標準化された形式) のサイズ形式で入手できます。
8. コスト – アプリケーションはコストに非常に敏感であるため、より優れたパフォーマンス特性を持つバッテリーを諦める必要がある場合があります。これは、大量の使い捨て用途に特に当てはまります。
9. 輸送、廃棄に関する規制 – リチウムベースのバッテリーの輸送は規制されています。特定のバッテリー化学物質の廃棄も規制されています。これは、大量のアプリケーションを考慮する必要があるかもしれません。
10.メーカーのリチウム電池の安全性。一部のメーカーは、量産前に自社で安全性と信頼性のテストを行っていません。これは最終用途に大きな危険をもたらします。
バッテリーを選択する際には、多くの考慮事項があります。これらのいくつかは化学に関連しており、その他はバッテリーの設計、製造、メーカーの能力に関連しています。最も経験豊富なリチウムイオンバッテリーメーカーを選択することが最も重要です。VTC Power Co.,Ltd は 20 年間リチウムイオンバッテリーの製造に特化しており、あなたにとって最高のご提案をさせていただきます！
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