鉛蓄電池 VS リチウムイオン電池: 完全比較

リチウム電池と鉛蓄電池の違いを見てみましょう。鉛蓄電池とリチウム電池は非常に一般的なバックアップ電源ですが、どちらの電池がデバイス用途に適しているかを選択する際には、2 つの電池の特性が異なるため、電圧、容量、サイクル数など、いくつかの要素を考慮する必要があります。

化学と建設

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は、電解質に浸された 2 つの電極 (陽極と陰極) 間の可逆的な電気化学反応に基づいて動作します。リチウムイオン電池は、電極にリチウム化合物 (通常はコバルト酸リチウム、リン酸鉄リチウムなど) を使用し、非水電解質 (リチウム塩を含む有機溶媒) を使用します。電極は通常、導電性基板上の薄い層であり、高いエネルギー密度を実現します。

負極は通常グラファイトで作られ、リチウムイオン電池のアノードは、電池の充電時にリチウムイオン (Li⁺) を収容します (放電時には、リチウムイオンはアノードからカソードに移動します)。正極は通常グラファイトで作られ、リチウムイオン電池のアノードは、電池の充電時にリチウムイオン (Li⁺) を収容します (放電時には、リチウムイオンはアノードからカソードに移動します)。

充電中、リチウムイオンはカソードから電解質を通って移動し、アノード材料に挿入（埋め込まれ）ます。放電時には、プロセスが逆になり、リチウムイオンはアノードから電解質を通ってカソードに移動します。リチウムイオンが電解質を通って移動する間、電子は外部回路を流れ、デバイスに電力を供給できる電流を生成します。

鉛蓄電池

鉛蓄電池の動作原理は、硫酸電解液に浸された鉛と二酸化鉛の電極間の電気化学反応で、信頼性の高い電気エネルギー源を提供します。鉛ベースの化学特性により、電極は厚く重いです。

エネルギー密度

リチウムイオン電池は、一般的に鉛蓄電池に比べてエネルギー密度が高く、体積または重量単位あたりにより多くのエネルギーを蓄えることができるため、一定のエネルギー容量に対してより軽量でコンパクトになります。

リチウムイオン電池は、通常、鉛蓄電池に比べて体積エネルギー密度が大幅に高くなります。つまり、リチウムイオン電池は体積当たりのエネルギーをより多く蓄えることができるため、より小型でコンパクトな電池パックを実現できます。

鉛蓄電池はリチウムイオン電池に比べてエネルギー密度が低いため、同じエネルギー貯蔵容量でも電池が大きく重くなります。

同様に、リチウムイオン電池は鉛蓄電池に比べて重量エネルギー密度が高くなっています。このため、一定のエネルギー容量に対してバッテリーパックの軽量化が実現し、これは電気自動車など重量が重要な要素となる用途にとって極めて重要です。

サイクル寿命

バッテリーのサイクル寿命とは、バッテリーの容量が指定されたレベルまで低下するまでに実行できる充電と放電のサイクルの数を指します。

リチウムイオン電池は、鉛蓄電池に比べてサイクル寿命が長いのが一般的です。特定の化学物質や使用条件に応じて、数百から数千回の充放電サイクルに耐えることができます。

鉛蓄電池は頑丈ですが、一般的にリチウムイオン電池に比べてサイクル寿命が短く、特に深放電の場合はその傾向が顕著です。

リチウムイオン電池は、電気自動車やポータブル電子機器、エネルギー貯蔵など、より長いサイクル寿命、より高いエネルギー密度、およびより軽量であることが求められる用途で好まれています。鉛蓄電池は、自動車の始動用電池や定置型電源バックアップ システムなど、コスト効率、信頼性、および確立されたリサイクル インフラストラクチャが重要な要素となる用途では、依然として競争力を維持しています。

排出率

バッテリーの放電率とは、蓄えられたエネルギーをどれだけ速く放出できるかを指し、多くの場合、C レートで測定されます。

リチウムイオン電池は、特定の化学特性と設計に応じて、通常 1C から 2C 以上の高放電率が可能です。リチウムイオン電池は、高放電率でも比較的安定した電圧と容量を維持します。これは、電力のバーストや高出力の持続を必要とする用途にとって重要です。

鉛蓄電池は、一般的にリチウムイオン電池に比べて高放電率向けに設計されていません。鉛蓄電池の一般的な放電率は、具体的なタイプ (液式、AGM、ゲル) に応じて 0.05C ～ 0.2C の範囲です。一部の AGM (吸収ガラスマット) または高性能鉛蓄電池は、0.5C またはそれよりわずかに高い中程度の放電率に対応できます。

鉛蓄電池は、高放電率にさらされると電圧低下や容量低下が発生する場合があります。リチウムの放電率は安定しており、鉛蓄電池は徐々に 60% まで失われます。この制限により、急速なエネルギー放出や高電力需要を必要とする用途には適していません。

鉛蓄電池は、自動車の始動用バッテリー、バックアップ電源システム、固定用途など、中程度の放電率で十分な用途に適しています。急速放電が必要な用途では、高率では電圧降下と効率低下が発生するため、鉛蓄電池はそれほど効果的ではありません。

リチウムイオン電池は、鉛蓄電池に比べて放電率が高いという点で優れています。大きな電力出力を迅速かつ効率的に提供できるため、電気自動車、電動工具、高出力バーストを必要とする特定の産業機器などの用途に最適です。

放電電圧

リチウムイオン電池は、放電サイクルのほとんどの期間にわたって比較的安定した電圧を維持し、容量の終わり近くまで一貫した電力出力を提供します。このため、放電期間全体にわたって安定した電圧と一貫したパフォーマンスを必要とするアプリケーションに適しています。

鉛蓄電池は、リチウムイオン電池に比べてセルあたりの公称電圧が低くなっています。放電中の電圧低下は緩やかで、容量の終わりに近づくにつれて低下が顕著になります。この特性は、電池の電圧範囲と放電プロファイルが重要な考慮事項となるアプリケーションでは一般的です。

実際のアプリケーションでは、これらの電圧特性を理解することで、電圧要件、放電プロファイルのニーズ、および全体的なパフォーマンスの期待に基づいて適切なバッテリー タイプを選択するのに役立ちます。

充電特性

リチウムイオン電池は急速充電が可能で、一部の種類のリチウムイオン電池は大きな損傷なく急速充電が可能です。また、鉛蓄電池に比べて自己放電率が低くなっています。

鉛蓄電池は、通常、リチウムイオン電池よりも充電速度が遅く、特にフル容量に近づくと遅くなります。急速充電は熱の蓄積を引き起こす可能性があるため、注意深い監視が必要になる場合があります。

たとえば、充電電流が 1500 mA (1.5A) の 3000 mAh (ミリアンペア時間) の Li-ion バッテリーは、空の状態から完全に充電されるまで理論的に約 2 時間かかります (1C 充電速度を想定)。容量が 100 Ah (アンペア時間) の 12 ボルト鉛蓄電池を 10 アンペア (約 0.1C) の速度で充電すると、空の状態から完全に充電されるまで約 10 時間かかります。

温度の影響

リチウムイオン電池は、通常 0°C ～ 45°C (32°F ～ 113°F) の適度な温度範囲内で最もよく機能します。鉛蓄電池は、リチウムイオン電池に比べて極端な温度に対する耐性が優れています。-20°C ～ 50°C (-4°F ～ 122°F) の範囲内で効果的に動作します。

リチウムイオン電池は、鉛蓄電池に比べて極端な温度に敏感です。安全で最適なパフォーマンスを確保するには、慎重な温度管理が必要です。低温 (0°C 未満) では、電池の容量と出力が一時的に低下することがあります。極端に低い温度では電池の性能が低下し、極低温で充電または放電すると回復不能な損傷につながる可能性があります。

鉛蓄電池は動作温度範囲が広く、リチウムイオン電池よりも高温や低温に耐えることができます。鉛蓄電池はリチウムイオン電池よりも高温に耐えることができますが、それでも過度の熱は電池の劣化を早め、浸水した電池からの水分損失を増加させる可能性があります。

どちらのタイプのバッテリーも、安全な動作と長寿命を確保するために、温度ガイドラインを監視して遵守する必要があります。

応用と使用

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため、単位体積または重量あたりのエネルギーを最大化することが不可欠なポータブル電子機器、電気自動車、エネルギー貯蔵システムなどで広く採用されています。

リチウムイオン電池は、エネルギー密度が高く、軽量であるため、ポータブル電子機器（ラップトップ、スマートフォン）、電気自動車（EV）、再生可能エネルギー貯蔵システムによく使用されます。

鉛蓄電池は、耐久性、低コスト、高電流出力への適合性から、従来、自動車の始動用バッテリー、バックアップ電源システム (UPS)、産業用アプリケーション (フォークリフト、ゴルフカート) に使用されています。鉛蓄電池はエネルギー密度が低いものの、重量やサイズよりもコスト効率、堅牢性、リサイクルおよび廃棄のための確立されたインフラストラクチャが優先されるアプリケーションでは競争力を維持しています。

メンテナンス

リチウムイオン電池は、一般的に鉛蓄電池に比べてメンテナンスが少なくて済みます。電解液のチェックや定期的な均等充電も必要ありません。リチウムイオン電池は、軽量、コンパクト、柔軟な取り付けオプションのため、一般的に取り付けが簡単です。鉛蓄電池に比べて構造サポートが少なく、換気の必要性も少なくなります。

鉛蓄電池は、硫酸化を防ぐために電解液レベルや比重のチェック、適切な充電の確保など、定期的なメンテナンスが必要です。鉛蓄電池は重量が重く、充電中にガスを排出するため、頑丈な取り付け構造と十分な換気が必要です。また、定期的な点検や修理のために、特別なメンテナンス アクセスも必要です。

結論として、リチウムイオン電池と鉛蓄電池の選択は、電力要件、スペースの制約、コストの考慮、環境要因など、特定のアプリケーションのニーズによって異なります。各バッテリー タイプには、さまざまな業界やアプリケーションに適した独自の利点があります。