鉛蓄電池とリチウムイオン電池の寿命の違いは何ですか?

バッテリーは大きく進化しました。現在、特定のユーザーのニーズを満たすように設計されたバッテリーの化学的性質は多岐にわたります。

鉛酸とリチウムイオンは 2 つの主要な充電式バッテリー技術であり、リチウムイオンの役割が徐々に大きくなっています。今回は、これらのバッテリーの原理と、それが顧客エクスペリエンスにどのような影響を与えるかを見ていきます。

鉛蓄電池とリチウムイオン電池の原理

鉛蓄電池とリチウムイオン電池の最初の違いは、その動作原理です。各バッテリーが提供する機能の概要は次のとおりです。

鉛蓄電池の原理

鉛酸バッテリーは、最も古いタイプの充電式バッテリーの 1 つです。その基本原理は、鉛、二酸化鉛、硫酸の間の電気化学反応を中心に展開されます。放電状態では、バッテリーには二酸化鉛製の正極板とスポンジ鉛製の負極板が含まれており、両方とも希硫酸の電解質溶液に浸されています。

バッテリーの充電中、二酸化鉛 (正極側) とスポンジ鉛 (負極側) が電解液中の硫酸と反応し、硫酸鉛と水が生成します。放電中は、このプロセスが逆になります。硫酸鉛と水は二酸化鉛、スポンジ鉛、硫酸に戻され、その過程で電気エネルギーが放出されます。

化学エネルギーと電気エネルギー間のこの変換により、バッテリーに接続されたデバイスに電力が供給されます。時間の経過とともに、充電サイクル中に硫酸鉛が繰り返し形成されると、安定した硫酸鉛の結晶が生成される可能性があります。これは硫酸化と呼ばれるプロセスであり、バッテリーの容量と寿命が低下します。

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リチウムイオン電池の原理

リチウムイオン電池は、ポータブル電子機器や電気自動車によく使われており、正極と負極の間のリチウムイオンの移動に基づいて動作します。最も単純な形式のリチウムイオン電池は、リチウム金属酸化物で作られた正極 (カソード)、炭素 (多くの場合グラファイト) で作られた負極 (アノード)、およびリチウムイオンの移動を可能にする電解質で構成されています。 。

放電段階では、リチウムイオンがアノードからカソードに移動し、その過程でエネルギーを放出します。電子は同時にアノードから放出され、外部回路を通って移動し、接続されたデバイスに電力を供給してから、カソードからバッテリーに再流入します。

充電時には、プロセスが逆になり、リチウムイオンがカソードからアノードに戻ります。バッテリー内のセパレーターにより、正極と負極が確実に分離され、短絡が防止されます。リチウムイオン電池の主な利点の 1 つは、比較的小型で軽量のパッケージに大量のエネルギーを蓄える能力であり、現代の電子機器や輸送のニーズに特に適しています。

バッテリー寿命に影響を与える要因

バッテリーを購入するときは、寿命が最も長いバッテリーを見つけることが重要です。長く使えるものが欲しいですよね。ただし、バッテリーの持続時間を決定する特定の要因があります。それらには次のものが含まれます。

放電深度 (DoD): バッテリーの寿命は多くの場合、バッテリーが各サイクルでどれだけ深く放電されるかに関係します。浅い放電 (バッテリー容量のごく一部のみを使用する) では、深い放電に比べて総ライフ サイクル数が長くなる可能性があります。

充電サイクル: 充電サイクルとは、バッテリーを 0% から 100% まで充電するプロセスを指します。バッテリーの容量が特定のしきい値 (通常は元の容量の 80%) を下回るまでに、バッテリーには有限の充電サイクル数があります。

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充電速度: バッテリーの充電が速すぎると過剰な熱が発生し、バッテリーの内部コンポーネントが損傷し、全体の寿命が短くなる可能性があります。

温度: 高温でも低温でも、極端な温度はバッテリーの性能と寿命に悪影響を与える可能性があります。バッテリーは高温では劣化が早くなる傾向があり、極度に低温では容量が低下する可能性があります。

過充電: バッテリーを長期間フル充電状態に保つと、特に充電を続ける充電器に接続したままの場合、バッテリーに負担がかかり、劣化する可能性があります。

保管条件: バッテリーを部分的に充電した状態 (約 50% ～ 60%) で、涼しく乾燥した場所に保管することが理想的です。完全放電または完全充電で長期間保管すると、バッテリーの状態が低下する可能性があります。

物理的損傷: バッテリーを落としたり物理的衝撃を与えたりすると、内部コンポーネントが損傷し、寿命が縮んだり、場合によっては故障につながる可能性があります。

内部抵抗: 時間の経過とともに、バッテリー内の化学反応によりバッテリーの内部抵抗が増加する可能性があります。抵抗が大きいほど、バッテリーの負担が大きくなり、劣化が早くなる可能性があります。

バッテリー管理システム (BMS): 最新のバッテリー、特にリチウムイオン タイプには、バッテリーの充電、放電、温度を監視および管理する BMS が付属していることがよくあります。優れた BMS は、最適な動作条件を確保することで、バッテリーの寿命に大きな影響を与え、寿命を延ばすことができます。

つまり、バッテリーの寿命は、その設計、使用、環境に関連する要因の組み合わせによって決まります。これらの要因を理解して管理することは、ユーザーがバッテリーの寿命とパフォーマンスを最適化するのに役立ちます。

鉛蓄電池とリチウムイオン電池のサイクル寿命

ライフサイクルは、バッテリーの動作を決定するもう 1 つの大きなパラメーターです。次のことを考慮してください。

鉛蓄電池

鉛蓄電池のサイクル寿命は、その設計と放電深度 (DoD) に大きく依存します。通常、自動車や乗り物によく使用される始動、照明、点火 (SLI) 鉛酸バッテリーのサイクル寿命は、国防総省 50% まで約 200 ～ 300 サイクルです。

これは、全体の容量が大幅に減少する前に、容量の半分まで何回でも放電できることを意味します。一方、ディープサイクル鉛蓄電池は、太陽エネルギー貯蔵や海洋用途など、深放電が必要な用途向けに設計されており、サイクル寿命が 500 ～ 1,000 サイクル、国防総省 50% の範囲で優れています。

一部の高品質ディープサイクル鉛酸バッテリーは、この範囲を超える場合もあります。これらのバッテリーを推奨される国防総省を超えて繰り返し放電すると、サイクル寿命が大幅に短くなる可能性があることに注意してください。

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池は、他の多くの種類の電池と比較してサイクル寿命が長いことで知られています。平均して、リチウムイオン電池のサイクル寿命は 80% DoD まで 1,000 ～ 5,000 サイクルです。

これは、数千回の充放電サイクル後でも、元の容量の少なくとも 80% が維持されることを意味します。ただし、正確な数は、特定のリチウムイオンの化学的性質とバッテリーの設計によって異なります。

たとえば、リン酸鉄リチウム (LiFePO4) バッテリーは、他の一般的なリチウムイオン化学反応よりもサイクル寿命が長い傾向があります。完全放電や極端な充電速度を避けるなど、適切に管理すると、リチウムイオン電池のサイクル寿命をさらに延ばすことができます。

結論

鉛蓄電池とリチウムイオン電池にはそれぞれ独自の利点と用途がありますが、通常、リチウムイオン電池の方がサイクル寿命が長くなります。このより長いサイクル寿命は、より高いエネルギー密度とコストの低下と相まって、スマートフォン、ラップトップ、電気自動車などのさまざまな最新のアプリケーションでの広範な採用につながりました。