リチウムイオン電池の重量-計算機と密度

リチウムイオン電池は、より速く、より長持ちし、より高い電力密度を備えているため、より軽いパッケージでより長い電池寿命を実現します。

1800年にアレッサンドロボルタによって最初のバッテリーまたは「ボルタ電池」が発明されて以来、バッテリーは、私たち全員が日常的に使用する携帯型電子機器の無限のリストに電力を供給するために長い道のりを歩んできました。最初の充電式バッテリーは1859年にガストンプランテによって発明され、鉛蓄電池として知られていました。 1980年にソニーは最初のリチウムイオン電池を商品化し、この新技術はスマートフォン、タブレット、ラップトップ、ウェアラブルを含むほぼすべての携帯型電子機器で普及しました。一般的なリチウムイオン電池は、セルあたり約3.6ボルトを生成できます。 12ボルトの鉛蓄電池を使用している場合、同じ電圧出力を生成するには3つのリチウムイオン電池が必要になります。リチウムイオン電池は、より速く、より長持ちし、より高い電力密度を備えているため、より軽いパッケージでより長い電池寿命を実現します。

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リチウムイオン電池の重量は、サイズ、化学的性質、および保持するエネルギー量によって異なります。典型的なセルの重さは約30〜40グラムです。セルは一緒にパッケージ化されて、デバイス用のバッテリーパックを作成します。コンピュータ、携帯電話、およびその他の携帯用電子機器用のバッテリーには、多くの場合、直列（正から負）または並列（正から正）の複数のセルが含まれています。

一般的なラップトップバッテリーには、それぞれ定格3.6Vのセルが6つ含まれています。たとえば、Dell Inspiron 9100ラップトップには、容量が約4400 mAh（4.4 Ah）の11.1Vバッテリが搭載されています。これは、6 x 3.6V x 4.4Ah = 100Whrのエネルギーまたは1110gの質量（2.5ポンド）に相当します。

400Whrパックの重量は約4kg（8lbs）になります。

すでに述べたように、リチウムイオン電池パックの重量は固定数ではありません。パック内のセルのストレージ容量と電圧によって異なります。バッテリーのエネルギー密度を上げる最も有望な方法は、バッテリーの電圧を上げることですが、これには独自のペナルティがあります。セルを追加して電圧を上げることにより、より小さく、より軽いバッテリーを作成できます。唯一の問題は、セルが多いほど重量が増えることです。

例として、多くのラップトップコンピュータや電気自動車に見られる一般的な18650リチウムイオン電池を使用します。このセルには、3.6 Vの標準電圧で約2アンペア時の電荷が含まれています。100kWhのエネルギーを必要とする電気自動車は、95％の効率でこれらのセルだけに電荷を保存するために14,285セルを必要とします。それぞれ約50グラムの重さで、これは合計で最大714キログラム（1,574ポンド）になります。

リチウムイオン電池重量計算機

リチウムイオン電池の重量は、わずか3g / Wh、または最大8g/Whです。一般的なラップトップバッテリーの重量は80〜120Wh / kgです。つまり、重量は240〜960g（または0.5〜2ポンド）です。一般的なスマートフォンのバッテリーの重量は約20〜40gです。

このリチウムイオン電池の重量計算機は、非常に軽量で使いやすいツールであり、比エネルギー、密度、および体積に基づいてリチウムイオン電池のおおよその重量を見つけるのに役立ちます。この記事では、電卓がどのように機能するかについて説明します。この計算機は、リチウムイオン電池パックの電池重量を教えてくれます。バッテリーが重すぎるか、十分に重くないかを判断するのに役立ちます。セルごとに、mAhとボルトを入力します。バッテリーのmAhとボルトがわからない場合は、製造元に仕様を確認してください。

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エンジニアとして、バッテリーパックの重量をすばやく見積もるように求められることがよくあります。ニッケル水素（NiMH）や鉛酸などの単純な化学物質にボールパークウェイトを提供するのは簡単ですが、リチウムイオン化学における多数の潜在的な配合により、これはさらに困難になります。

リチウムイオン電池パックの重量を計算する最初のステップは、その容量をアンペア時（Ah）で決定することです。これは通常、既製のバッテリーの製品仕様によって、またはカスタムパックを設計する場合は、総エネルギー（ワット時）を公称電圧で割ることによって提供されます。

次に、バッテリーの化学的性質の比エネルギーを調べる必要があります。次の表に、一般的な処方の概算値を示します。

リチウムイオン化学比エネルギー（Wh / kg）

コバルト酸リチウム（LCO）140〜175

リチウムマンガン酸化物（LMO）115-145

リン酸鉄リチウム（LFP）95〜120

リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（NMC）115-150

既製のバッテリーを使用している場合は、製造元が特定のエネルギー情報を公開している可能性があります。それ以外の場合は、化学的性質に基づいて値を見積もることができます。たとえば、公称電圧が3.6V、比エネルギーが120 Wh / kgのリチウムマンガン酸化物電池の容量は33Ahで、重量は1kgです。

リチウムイオン電池の重量密度

エネルギー密度はバッテリーの重要なパラメーターです。これは、比エネルギー（単位質量あたりのエネルギー）またはエネルギー密度（単位体積あたりのエネルギー）で表すことができますが、バッテリーの場合、この2つは密接に関連しています。

エネルギー密度が重要である理由はすぐにはわかりませんが、ガソリンで走行する車両は燃料を持ち歩く必要があると考えてください。それがより多くの燃料を運ぶならば、それはさらに進むことができます。したがって、燃料のエネルギー密度を上げることで、車両をより軽量で効率的にすることができます。同じことが電気自動車にも当てはまります。バッテリーを持ち歩くため、密度の高いバッテリーは軽量の車両を意味します。

すでに見てきたように、リチウムイオン電池は前任者よりもはるかに高い電力密度を持っています。しかし、それらははるかに高い比エネルギーも持っています-鉛蓄電池の50 Wh/kgおよびニッケル水素タイプの70-90Wh/kgと比較して通常150Wh/kgです。

実際、リチウムイオン電池の比エネルギーはガソリンのそれに匹敵します。では、なぜ電気自動車はガソリン車に匹敵する航続距離を持たないのでしょうか。確かにそれはガソリンがリチウムイオンの半分以下の比エネルギーを持っていることを意味しますか？いいえ-最新のガソリンエンジンの効率は約40％であるため、150 Wh / kgのセルは、60％の駆動列効率のEVにガソリン車に匹敵する範囲を与えることができます。

ガソリンの比エネルギーは約12kWh/ kgで、これは約32 kWh/lの体積エネルギー密度に相当します。リチウムイオン電池のエネルギー密度は約160Wh/ kgで、これは0.16 kWh/kgです。

この12：0.16の比率は、76.8 kWh/lの等価体積密度に相当します。テスラモデルSには、容量85 kWh、重量540kgのバッテリーパックが搭載されています。これにより、0.39 kWh / lの体積エネルギー密度が得られます。これはガソリンと同等の約5％です。

では、なぜ電気自動車の航続距離はガソリン車よりも大幅に低いのでしょうか。このように制限する必要がある根本的な理由はありません。問題は、実際のバッテリーパックはまだ重すぎて扱いにくいため、電気自動車が範囲内のガソリン車と競争できないことです。

これは技術の問題だけではありません。ガソリンと同じエネルギー密度のバッテリーを持っていたとしても（そうではありません）、他のコンポーネントが占める重量と体積を減らす方法を見つける必要があります。車-範囲の点で同等のガソリンに挑戦できる電気自動車が必要な場合は、タイヤから車軸、エンジンマウントまですべてをはるかに軽量にする必要があります。

リチウムイオン電池の重量の内訳

リチウムイオン電池は、カソード、アノード、セパレーター、電解質、集電体など、いくつかの異なるコンポーネントで構成されています。カソードとアノードの化学的性質により、リチウムイオンセルのタイプ（LiCoO2、LiFePO4など）が決まり、セルの容量、レート能力、安全特性、およびコストが決まります。車両の一般的なセル構成は、20〜85Ahの容量の角柱または円筒形です。

カソード材料は、リチウムイオン電池セルの質量の約30％を占めています。アノードも質量の約30％を占めています。セパレーターは15％を占めていますが、現在のコレクターは10％弱です。電解質（添加剤を含む）は質量で約2％を占め、他のすべては約13％を占めます。

リチウムイオン電池パックの重量の内訳は次のとおりです（Kokamデータ）。

セル-48％

パッケージング-25％

その他（ケーブル、コネクタ、コンタクタなど）-9％

冷却システム-5％

バッテリー管理システム-5％

ハードウェア/サポート構造-4％

安全システム-2％

その他（ファン、電気部品）-2％

結論

リチウムイオン電池は、携帯用電子機器に最適な種類の二次電池と見なされることがよくあります。それらは、最高のエネルギー密度の1つであり、メモリー効果がなく、自己放電が少ないです。これらの理由から、リチウムイオン電池はさまざまな携帯用電子機器に使用されています。