バッテリーの過去と現在を再認識しましょう

バッテリーは今日の私たちの生活に非常に遍在しているため、ほとんど無視されています。しかし、それらは長く伝説的な歴史の中で注目に値する発明であり、同じ素晴らしい未来を持っています。

バッテリーは、実際には蓄積された化学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスです。基本的に、バッテリーは小さな化学反応器であり、化学反応によって高エネルギーの電子が生成されるため、常に外部機器に流れる準備ができています。

バッテリーはかなり長い間私たちと一緒にいました。 1938年、バグダッド博物館の館長は、現在「バグダッド電池」として知られている電池を博物館の地下室で発見しました。分析によると、その起源と時間は紀元前250年のメソポタミアにまでさかのぼることができます。

この初期のバッテリー学術コミュニティについては多くの論争があり、その特定の用途には、電気めっき、鎮痛、または宗教的罰が含まれます。

アメリカの科学者で発明家のベンジャミン・フランクリンは、1749年に一連のコンデンサで電力実験を行ったときに、最初に「バッテリー」という用語を使用しました。

最初の真のバッテリーは、1800年にイタリアの物理学者Alessandro Voltによって発明されました。ボルトは銅と亜鉛のシートの周りに積み重ねられ、銅と亜鉛のシートの各ペアは塩水に浸した黄麻布で区切られています。

このとき、2本の金属線で任意の2本の金属に接触している限り、連続して安定した電流が発生します。各ユニット（銅、亜鉛、塩水のセット）は0.76ボルトを生成しました。セルのグループを積み上げると、2倍の電力が得られます。

最も古いバッテリーの1つは、1859年に発明された鉛蓄電池で、現在でもほとんどの内燃機関に使用されています。これは充電式バッテリーの最も古い例です。

今日のバッテリーのサイズは、村や島全体に電力を供給するために太陽光発電所や変電所でエネルギーを供給するために使用される大きなメガワットから、電子時計で使用される小さなバッテリーまでさまざまです。

バッテリーは、通常1〜3.6Vの範囲のバッテリー電圧を生成するさまざまな化学物質に基づいています。直列バッテリーは電圧を増加させ、並列バッテリーは電流を増加させます。この原理は、メガワットサイズまでの必要な電流と電圧を達成するために使用されます。

バッテリーはどのように機能しますか？

バッテリーが放電すると、内部の物質が化学的に反応して電気エネルギーを生成します。電子を生成する化学反応の例は、酸化鉄が錆を生成することです。鉄は酸素と反応し、電子と酸素が移動して酸化鉄を形成します。

電池の標準的な製造は、電極電位が異なる2つの金属または化合物を使用し、多孔質の絶縁体でそれらを分離することです。電極電位は、原子および化合物に蓄積されたエネルギーであり、外部デバイス接続が利用可能な場合に転送されます。

可溶性イオンを輸送するためのブラインや水溶液などの導電性流体は、電解質として知られる化学反応で、ある金属から別の金属に流れます。

放電中に電子を失う金属または化合物はカソードと呼ばれ、電子を受け取る金属または化合物はアノードと呼ばれます。外部接続を介したアノードからカソードへの電子の流れは、私たちが電子機器を動かすために使用するものです。

バッテリー開発の歴史：バッテリーの過去と現在を再認識しましょう

一次電池と充電式電池

電子の流れを生み出す化学反応プロセスは不可逆的であり、一次電池と呼ばれます。反応物の1回の放電後にバッテリー容量が使い果たされた。

最も一般的な一次電池は炭素亜鉛電池です。電解液がアルカリ性の場合、バッテリーは長持ちします。スーパーでアルカリ乾電池を購入しています。

これらの一次電池を扱う上での最大の課題は、それらを再利用する方法を見つけることです。使用する電池の数が増え、交換が不経済になることが多い場合は、電池の取り扱いがより重要になります。

初期の二次電池であるニッケルカドミウム電池（NiCd）も、電解質としてアルカリを使用しています。 1989年には、ニッケル水素電池（NiMH）に加えて、ニッケルカドミウム電池よりも長持ちしました。

これらのタイプのバッテリーは、充電中の過充電および過熱に非常に敏感であるため、充電速度は最大充電速度未満に制御されます。

複雑なコントローラーは充電プロセスをスピードアップし、充電に何時間もかかりません。

ほとんどの単純な充電器の場合、充電プロセスには一晩かかります。

携帯電話やラップトップなどのポータブルアプリケーションは、大小さまざまな充電デバイスを探しています。これは重度の放電のリスクを高めますが、携帯電話のバッテリーの電流リミッターによって制御できます。

最初の飛躍：リチウム電池

新しいテクノロジーでは、多くの場合、よりコンパクトで大容量、より安全な充電式バッテリーが必要になります。

1980年、アメリカの物理学者ジョン・グッドは新しいタイプのリチウム電池を発明しました。リチウム（Li）は、バッテリーを介して1つの電極から別の電極に移動し、Li +イオンフォームを形成します。

リチウムは周期表で最も軽い化学元素の1つであり、最大の電気化学ポテンシャルを持っているため、この組み合わせにより、最もコンパクトで最も軽い体積で最大の電圧が生成されます。

これがリチウムイオン電池の基本です。この新しいバッテリーでは、コバルト、ニッケル、マンガン、鉄、酸素などの遷移金属が組み合わされてカソードを形成します。充電によって電圧が発生すると、正に帯電したリチウムイオンが陰極から黒鉛陽極に移動して金属リチウムになります。

バッテリー開発の歴史：バッテリーの過去と現在を再認識しましょう

リチウムは酸化に対して強い電気化学的駆動力を持っているため、条件が許せば、リチウムはカソードに戻って再びリチウムイオンを形成し、電子を放出してコバルトイオン状態に戻します。この回路の電子運動は電流として使用できます。

2番目の飛躍：ナノテクノロジー

リチウムイオン電池には遷移金属が含まれているため、電池の静電容量が大きくなり、反応性が高くなり、熱暴走が発生しやすくなります。

1990年代にソニーが製造したコバルト酸リチウム（LiCoO2）電池の例では、多くの火災が発生しました。バッテリーのカソードをナノ材料で作ると、バッテリーがよりアクティブになり、事故を引き起こす可能性があります。

しかし、1990年代には、安定したリチウムイオンカソードの製造にリン酸鉄リチウムを導入することで、バッテリー技術の飛躍を再び引き起こしました。

カソードは熱的に安定しています。これはまた、リン酸鉄リチウム（LiFePO4）またはリン酸鉄リチウム（LFP）材料が、大規模なバッテリーアプリケーションで安全に使用でき、迅速に充電および放電できることを意味します。

これらの新しいバッテリーには、電動工具からハイブリッド電気自動車まで、多くの新しい用途があります。おそらく最も重要な用途は、家庭の電力貯蔵でしょう。

電気自動車

この自動車用の新しいバッテリーフォーマットの製造におけるリーダーは、バッテリー生産のための「ギガプラント」の建設を計画しているテスラエレクトリックモーターズです。

テスラモデルSのリチウム電池パックの容量は最大85kWhです。

これは、家庭で電気を使用するのに十分です。そのため、テスラの創設者であるイーロンマスクが最近発表した製品について多くの憶測があります。

モジュラーバッテリーの設計により、再設計や製造を行うことなく、自動車と家庭の両方のアプリケーションでバッテリーモードの互換性を実現できます。

控えめなバッテリーによるエネルギー生産と貯蔵における次世代の技術的変化を目の当たりにすることができるかもしれません。

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