電池のエネルギー密度の種類と式

エネルギー密度とは、バッテリーがそのサイズと比較してもたらすエネルギー量を指します。これは、特に最新のデバイスでは重要な指標になっています。最近のほとんどのガジェットは多くのエネルギーを必要としますが、小型のバッテリーからのものです。

バッテリーのエネルギー密度が高いほど、より長く充電できます。これは、占有スペースが少ないため、エネルギー密度の高いバッテリーが求められていることを意味します。たとえば、スマートフォン、ラップトップ、タブレットなどの電子機器は、長時間使用するために高密度のバッテリーを必要とします。この記事では、エネルギー密度について知っておくべきことをすべて紹介します。

バッテリー式のエネルギー密度

バッテリーのエネルギー密度を求める方法は 2 つあります。最初の方法は、重力エネルギー密度として知られています。これは、バッテリーがその重量に比例してどれだけのエネルギーを含んでいるかを表します。 2 番目の方法は、体積エネルギー密度と呼ばれます。この方法では、バッテリーのエネルギーをその体積で割ります。

バッテリーのエネルギーは通常、ワット時で測定されます。 1 時間に 1 ワットを使用することを表します。したがって、エネルギー密度を得るには、エネルギーであるワット時を重量 (kg または g) または体積 (リットル) で割る必要があります。

重力エネルギー密度 = ワット時 / 重量

体積エネルギー密度 = ワット時 / 体積

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最初のステップは、バッテリーの Wh を決定することです。次に、分割の重量または体積を決定する必要があります。答えは Wh/Kg または Wh/L で指定できます。他のエネルギー源のエネルギー密度を計算すると、1000 Wh/kg を超える場合があることに注意してください。したがって、答えは KWh/kg または KWh/L として表すことができます。これは、1000 ワット時が 1 キロワット時になるためです。

エネルギー密度は電力密度とは異なることに注意することが重要です。前者は、その体積または重量と比較して蓄えられたバッテリーエネルギーを指します。反対に、電力密度はキログラムあたりの電力出力を指します。簡単に言えば、エネルギー密度はバッテリーが保持するエネルギーの量を測定し、電力密度はバッテリーが生成する量を測定します。

電池の種類のエネルギー密度

バッテリーは、化学組成に応じて異なるエネルギー密度を保持します。最も使用されているバッテリーの種類のエネルギー密度を見てみましょう。

リチウムコバルト酸化物

リチウム コバルト酸化物は、150 ～ 200 Wh/Kg の範囲で最も密度が高いものの 1 つです。カソードはコバルトでできています。層状構造は、リチウムイオンの移動を可能にするために、カソードとアノードの間にあります。リチウム カソード バッテリは、電気自動車、ラップトップ、携帯電話で広く使用されています。

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リチウム コバルト酸化物電池は、最も多くのエネルギーを保持しますが、非常に高価です。これは、供給が不足しており、電気自動車の需要が高まっているためです。

リチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物電池

NMC バッテリーは、150 Wh/kg から 220 Wh/kg の範囲の高いエネルギー密度を持っています。安定性を高めるためにニッケルとマンガンが追加されています。電気自動車、電動自転車、医療機器にも使用されています。このバッテリーの化学的性質によって、エネルギー密度が決まります。ニッケルはエネルギー密度が高く不安定ですが、マンガンはエネルギー密度が低く安定しています。

鉛酸 (SLA/VLRA)

鉛蓄電池はエネルギー密度が最も低くなります。それらは約 30 ～ 40 Wh/kg を保持します。これは 60 ～ 75 Wh/L に相当します。鉛酸は、作成された最も古いタイプのバッテリーの 1 つです。エネルギー密度が低いにもかかわらず、自動車のエンジンの始動など、多くの用途に使用されています。

ニッケル水素

一般にNiMHとして知られるニッケル水素は、100 Wh/Kgのエネルギー密度を持っています。これらの電池は、NiCd 電池と比較してより多くのエネルギー密度を保持します。ニッケル水素電池は、爆発や漏れが少ないため人気があります。このため、アルカリ乾電池の代替として広く使用されています。

アルカリ電池

アルカリ電池のエネルギー密度は 85 ～ 190 Wh/kg です。二酸化マンガンと亜鉛金属の化学反応からエネルギーを得ます。アルカリ電池は、貯蔵寿命が長く、エネルギー密度が高いため、炭酸亜鉛電池よりも好まれます。

バッテリーとジェット燃料のエネルギー密度

空飛ぶ車の未来の間に立っている唯一のものは、エネルギー密度です。これはまた、飛行機やスペースシャトルが今でもガソリンやジェット燃料に依存している理由の 1 つでもあります。簡単に言えば、ほとんどのバッテリーは重いため、このような高度なアプリケーションにはエネルギー密度が不十分です。

最も高度で高密度のバッテリーを比較しても、ジェット燃料にはまだ遠く及ばない.たとえば、テスラ モデル 3 のバッテリーのエネルギー密度は 207 Wh/kg です。電気自動車の観点からは、これらは適切な数値ですが、航空ナビゲーションには十分ではありません。

ジェット燃料のエネルギー密度は 9.6 KWh/L で、リチウム電池の約 50 倍です。ただし、内燃機関の効率が悪いため、密度は電池の約 14 倍に低下します。これは、1000 ポンドのジェット燃料のエネルギー密度と比較して、1000 ポンドのバッテリーを考慮に入れています。

研究者は、バッテリーのエネルギー密度は、現在の開発動向に基づいて、30 年以内にジェット燃料のエネルギー密度に匹敵する可能性があると述べています。多くの企業が、バッテリーのエネルギー密度と効率を高めるために多額の投資を行っています。これは、空飛ぶ車が都市交通システムを混乱させようとしていることを意味します。

ほとんどのメーカーが賭けているバッテリーには、リチウム酸素、ニッケル鉄、マグネシウムが含まれます。さらに、一部の企業は全固体電池にも投資しています。これらのタイプのバッテリーは、ポリマーまたは液体ベースの電解質に依存するものよりも高密度を提供できます。

空飛ぶ車のアプリケーションとは別に、将来のバッテリーはクリーン エネルギーの貯蔵に重要な役割を果たします。気候変動との戦いが激化するにつれて、多くの機関がそれを採用する可能性があります。電気飛行の未来は、あと数回の開発で実現します。各国政府や大企業は、バッテリーがジェット燃料に近い、あるいはそれ以上の高エネルギー密度を達成できるようにするための最前線に立っています。業界が直面している最大の課題は、原材料の入手可能性です。大量の水を必要とするため、リチウムの採掘には費用がかかります。一方、コバルト鉱床は縮小している。