バイオ燃料・エタノール・新エネルギースレ - 1227192268

1：とはずがたり：2008/11/20(木) 23:44:28: 関連スレ

農業スレ
http://jbbs.livedoor.jp/bbs/read.cgi/study/2246/1060165378/l40
エネルギー綜合スレ
http://jbbs.livedoor.jp/bbs/read.cgi/study/2246/1042778728/l40
環境スレ
http://jbbs.livedoor.jp/bbs/read.cgi/study/2246/1053827266/l40
電力スレ
http://jbbs.livedoor.jp/bbs/read.cgi/study/2246/1081280165/l40
メモ
http://members.at.infoseek.co.jp/tohazugatali/energy/index.html
2699：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:34:52: これからのエネルギー源の主役と云っても良いのではないか？ボーイングもサムソンもリチウムにはやられてるね。。ボイラーも最初そうだったようｎ未だ未だ使いこなすには失敗も必要なんだろう。同じく未だ未だ失敗しながら慣れなきゃ行けない技術としては原子力と同じだけど原子力みたいに人類全体への危険にはなり得ないし。

リチウムイオンバッテリーの原理と特徴、軽くて高エネルギーのリチウム　ー電池のしくみ（４）
http://stonewashersjournal.com/2015/06/03/battery4/

最近、最も身近で使われている充電池は、リチウムイオンバッテリーではないでしょうか？

携帯、スマホ、パソコン、タブレットなど、小型で大量の電力を消費するような端末には必ずと言って良いほどリチウムイオンバッテリーが使われています。しかし、その原理についてはあまり知られておらず、かつては充電池といえば「ニカド」や「ニッケル水素」だったため、その頃の名残で沢山の誤解が生まれているのが現状です。

今回は、そんなリチウムイオンバッテリーの原理や特徴についてご説明していきます。

「リチウムイオン」と言う名前が付いているだけあって、電子の移動にはリチウムイオンが使われています。

リチウムの最大の特徴は、「イオン化傾向」が非常に高いこと。つまり、化学反応が非常に発生し易い物質だということです。電池は化学反応によって電気を発生させているため、化学反応の起き易さはそのまま電気的エネルギーの高さに繋がります。

特に、酸素との燃焼反応の起こり易さは驚くほどで、水につければ水に含まれる酸素原子と反応を起こし、空気中でも空気に含まれる水分を使って反応が始まります。ちなみに、リチウムイオンバッテリーが爆発するのは、実はこのリチウムの特性が原因だったりするのですが、それについては別の機会にご説明しましょう。

リチウムイオンは高エネルギーで化学反応が起こりやすい意外にも重要な特性があります。それは、非常に小さくて軽い物質だということです。何と原子番号３番で、理屈の上では空気に浮きます。ただ、実際には金属元素なので常温で気体としては存在せず、水素やヘリウムのように風船に入れて浮かせる事はできません。

しかし、軽くて小さくて高出力というのは携帯する電池を考える上では非常に重要な要素です。携帯の電池パックを取り出してみるとわかりますが、普通の乾電池より沢山の電力を発生させられるにもかからず、小さくて軽いです。

また、リチウムを反応させるために陽極で使っているのがニッケルではないため、使いきる前に充電すると容量が少なくなるメモリー効果などの発生が少なく、放置しているだけで容量が減る自然放電も少ないというのも特徴の一つです。そのため、継ぎ足し充電を繰り返しても気にならず、頻繁に充電する機器にはぴったりです。

リチウムイオンバッテリーの原理

リチウムイオンの陽極や陰極にあるリチウム貯蔵物質には様々な物質が使われていますが、基本的な原理は皆同じです。

化学反応式(略)を見ると、リチウムが単体で存在している様に見えますが、これはニッケル水素電池の時と同じように貯蔵物質であるカーボンなどにリチウムが貯蔵されており、通電するとリチウムがイオン化して陽極へ移動するのです。充電の際には、リチウムイオンがコバルトから外れて陰極へと移動していきます。

一方、電解液を見ると今までに見たことのないような物質が使われています。実は、リチウムは水と反応してしまうため、水溶液の類が使えません。一般に、エチレン系などの有機溶媒が使われます。

電解液に有機溶媒を使う副次的なメリットとして、液漏れなどが起こる心配が無く、ある程度の低温状態きちんと動作する点があります。ただ、それが発火の原因の一つにもなっているので、メリットばかりではありません。

このように、電解液に水は使えませんでしたし、リチウムを貯蔵する陰極の物質やリチウムと安定的に反応してくれる陽極の物質がなかなか発見されなかったため、実用化された時期は他の充電池と比べるとかなり遅いです。

一見するとシンプルな反応に見えますが、リチウムイオンバッテリーを理解する上では化学式を見るだけでは不十分です。

というのも、普通の充電池には、陰極・陽極・電解液・絶縁体程度しか含まれていませんが、リチウムイオンバッテリーにはそれ以外にも多数の機構が組み込まれています。
2700：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:35:18: >>2699-2700
リチウムイオンバッテリーの制御装置

リチウムイオンバッテリーが爆発するという話をよく聞きます。もし、世の中のリチウムイオンバッテリーが陽極・陰極・電解液・絶縁体を軽く包装した程度で作られていたら、それは充電池ではなく時限爆弾でしょう。
というのも、リチウムイオンバッテリーを過充電するとかなりの確率で燃焼・爆発するからです。

過充電以外にも、充電されてエネルギー満タンの状態でショートさせたり、異常放電や異常充電、過加熱などを行うと燃えたり爆発したりします。

他の電池でも想定されていない使い方をすると異常な現象が起こるものですが、リチウムイオンバッテリーほど燃えやすく爆発しやすい電池は普通の人が使う電池の中には存在しないでしょう。

「おいおい、とんでもない電池だな」
と思うかもしれませんが、まともなリチウムイオンバッテリーには電池そのものに充電制御機構が組み込まれており、絶対にそう言った異常事態が起こらないようになっています。

制御機構には様々なものがあります。過充電や異常充電を防ぐ機能だけでも、

満充電になったら充電を停止する
満充電付近で充電速度を緩める
電圧や電流を制御して、常に一定になるようにする
のように、数多くの制御装置が組み込まれているのです。

また、他の充電池にも言えることですが、過放電を行うと充電ができなくなってしまうため、一定以上放電を行って容量が少なくなると勝手に放電を中止して過放電を防ぐ機構も備わっています。

ただし、これらの制御装置には高度な技術が用いられているため、必然的に電池は高価なものとなります。そのため、制御装置を簡略化した粗悪なリチウムイオンバッテリーなどが出まわるようになり、爆発事故に繋がってしまっています。

国内のメーカーで粗悪なバッテリーを作っているところはありませんが、ラジコンなどに使われているリチウムイオンバッテリーでは制御装置がついていないため、これを普通に充電すると非常に危険です。通常は、制御装置が組み込まれた「専用の高性能充電器」を使って充電する様になっています。

つまり、電池の内部に制御装置が組み込まれていなければ、制御装置が組み込まれた充電器を使うことで安全に使用することが出来るということなのですね。

リチウムイオンバッテリーの特徴まとめ

リチウムイオンバッテリーの特徴をまとめると、以下のようになります。

軽量で軽く、携帯性に優れる
高出力で大容量、様々な用途に使える
メモリー効果や自然放電が少ない
頻繁に充電を繰り返す場合に最適
過充電により燃料・爆発のリスクがある
充電には充電を制御する装置が必須
要は、とても便利で高性能な電池だけど、使い方を誤ると非常に危ない。ということです。

だからといって、リチウムイオンバッテリーを使っていない端末を探しまわる必要はありません。基本的には、マニュアル通りに使っていれば何の問題もないのです。

ただし、粗悪な製品には気をつけて下さい。純正を装った海賊版バッテリーなどが一部で出回っており、そう言ったバッテリーを使ってしまうと、普通に使っていても大きな事故に繋がる可能性があります。

「エネルギーを供給する」装置は、そのエネルギーの使い方を謝れば事故につながる危険性を孕んでいます。
原子力発電所ではありませんが、エネルギーと言うのは人の生活を豊かにする力を持っているだけではなく、人の生活を破壊する力も持っているのですね。
2701：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:35:40: リチウムイオンバッテリーを長持ちさせる方法とその理由　ー電池のしくみ（５）
http://stonewashersjournal.com/2015/06/08/battery5/

充電池と言うのは、充電と放電を繰り返しながら長時間使えるのが特徴です。しかし、充電池と言うのは長時間使っていると消耗が激しくなり、徐々に電池容量が少なくなってしまいます。

(やや高価な)リチウムイオンバッテリーを使用する携帯やスマホ、ノートパソコンではリチウムイオンバッテリーの消耗がどうしても気になってしまうものです。

そこで、リチウムイオンバッテリーを長持ちさせるためのテクニックと、何故そのテクニックを使うと長持ちさせることが出来るのかを踏まえてご説明していきます。

容量が無くなるとはどういう状態？

まず、長持ちさせるテクニックを知る前に、容量が無くなると言う現象について理解しておきましょう。

バッテリーの容量と言うのは、バッテリーの電気が無くなるまでにどれくらいの電流を流すことが出来るかで算出されています。しかし、バッテリーの電気が無くなっても、実は電気自体は残っています。単に、電子機器を動かせるだけの「電圧が無い」と言うだけなのです。

つまり、バッテリーの電気が無くなったと言うのは、「必要な電圧が出なくなった」と言う意味であって、中の電気が無くなったと言う意味ではありません。

そこから導き出されるのは、必要な電圧が出にくくなるだけでも容量が少なくなるということなのです。必要な電圧が出にくくなる現象は、バッテリー内部の化学反応が起こりにくくなることで発生しますが、それを一般的には電池の消耗と呼びます。

では、どうするとその化学反応が起こりにくくなる（消耗する）のでしょうか？

長持ちさせたい場合にやってはいけないこと

まず、リチウムイオンバッテリーの消耗を防ぎ、長持ちさせるためにやってはいけない三原則から説明します。

電池を使い切る
バッテリーを高温状態（４５℃以上）にする
急速充電（高電圧・大電流充電）の多用
基本的に上から順に消耗を早める行為になっています。

理由について順番に説明していきましょう。

電池を使い切るのがダメな理由

バッテリーが高温に弱いとか、高速充電が消耗を早めると言う話は聞いたことがあるでしょう。しかし、使い切ると良くないと言うのは知らない人がいるかもしれません。

これは、ニッケル水素電池やニカド電池などを使う場合、使いきらないで充電するのは良くないと言われていたからです。これは、「メモリー効果」と呼ばれる、電池を使いきらずに充電する（継ぎ足し充電）と容量が見かけ上減ってしまう現象に対する対策でした。

しかし、リチウムイオンバッテリーの場合はメモリー効果が殆ど発生しませんので、使い切る前に充電する継ぎ足し充電によって容量が減ってしまうことはありません。

一方で、リチウムイオンバッテリーはかなり高い電圧で動作するように作られている大容量・高出力の電池です。それでも、使い続けると容量が減り、どんどん電圧が下がっています。

そして、それがメーカーで頻繁に使うと想定していない電圧まで下がってしまうと、リチウムイオンだけでなく、リチウムイオン以外の金属部品が溶けてイオン化し始めます。その状態で充電すると、溶けた金属が予期せぬ部品と結合して固まります。すると、排水口にゴミが詰まるように電気の流れが悪くなっていくのです。

この現象が発生すると、同じ時間充電しても以前までのように高い電圧が出なくなります。つまり、電池が消耗するのです。

また、使いきった状態で長時間放置すると「過放電」と言う状態になり、そうなると致命的な劣化を招きます。場合によっては、それだけで使用不能になりますので注意しましょう。

もちろん、多少使い切ったぐらいでは問題になりませんし、普通は過放電になる前に制御装置が働いて過放電を防ぎます。しかし、低電圧状態に近づくと上述の現象が多かれ少なかれ発生しますので、使い切る習慣がある人は気をつけた方が良いかもしれません。

バッテリーを高温状態にするのが良くない理由

高温に弱いのは全てのバッテリーに言えることですが、リチウムイオンバッテリーは大容量・高電圧の電池であるため、かなり簡単に高温状態に達してしまいます。
2702：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:38:38: >>2701-2702
バッテリーが高温状態になると、正極に使われている金属と結合している酸素が分離してしまい、陽極の金属が正常に電子の受け渡しが出来ない状態になってしまいます。また、電解液に使われている有機溶媒は酸素と結びついて燃焼反応を起こしやすくなるため、発火のリスクも高まります。

ご存知の通り、酸素は気体ですので、大量の酸素が発生するとバッテリー自身が膨張することにもなります。消耗の進んだバッテリーが膨張するのは、酸素が発生しているからなのです。

酸素を含まない物質を使えれば良いのですが、リチウムと反応して電子の受け渡しをするには、酸素と結合した金属が最適であり、なかなか代用品が見つかりません。

また、高温状態では、密閉された電池内部の圧力自体も高まっており、電池の消耗以前にリチウムが予期せぬ反応をし易い不安定な状態でもあります。特に、そのような高温状態で充電を行ってリチウムに過剰なエネルギーを与えると、発火や爆発事故に繋がりますので危険です。

満充電の状態は特に高エネルギー状態になっていますので、高温状態での電池の劣化も激しいです。ただ満充電にしたからといって、劣化するわけではありませんが、高温状態になりやすく、劣化しやすい状態でもありますので注意しましょう。

急速充電が良くない理由

高速充電が最新型スマホのメリットとしても謳われるようにもなっているため、ある程度の消耗対策は取られるようになっています。しかし、急速充電・急速放電を行うと、綺麗に化学反応が起こらないケースが増えたり、電池が高温になる事が多く、結果として正極や陰極に異物が発生しやすくなって電圧の低下・容量の低下に繋がります。

高速充電は機器やバッテリー側で制御する機能であるため、バッテリーの容量によって高速充電と通常充電を切り替えているケースも多いです。その場合は、通常充電が行われる容量帯で充電するように心がけるとよいでしょう。

とは言え、充電に時間がかかるデメリットもある上、「使いきり」や「高温使用」に比べれば、大きな消耗には繋がるケースは少ないです。メーカーの提供する高速充電用の充電器を使っていれば、そこまで大きな問題にはならないでしょう。

ただし、メーカーの保証しない急速充電器などを使っての充電は電池の消耗を早める事になりますので、出来る限り控えてください。

長持ちさせるためのテクニック

やってはいけない事を３つ上げましたが、実際にどうすれば良いかという部分で不明な点が多いでしょう。そこで、リチウムイオンバッテリーの長持ちテクニックを列挙していきます。

電池残量は１０％未満にしない
誤って使いきってしまってもすぐに充電する
高温になる場所に保管しない
満充電時にポケットに入れない
電池残量は３０－９０％前後を意識する
満充電時の温度には特に気をつける
充電器に挿しっぱなしにはしない
長時間放置時は５０％前後の残量で

理由については以下のとおりです。

電池残量を１０％未満にしないのは、容量が少なくなって起こる低電圧状態を可能な限り防ぐためです。１０％以下は電池の消耗が早まるというわけではありません。

誤って使いきってしまっても、その状態で放置しなければそこまで消耗は大きくなりません。早めに充電しましょう。また、使い切りそうになったら電源を早めに切っておくのも手です。

電池残量は３０－９０％前後を意識しましょう。継ぎ足し充電による劣化は殆どありませんので、半分くらいになったら充電し、満充電になる前、もしくは満充電になったら充電を止めるようにすれば良いでしょう。

満充電の状態では、特に温度に気を使いましょう。満充電の状態で充電器につないでゲームをやったり、充電中に高温になる場所に置くなどはもっての外です(とは疑問：後ろで書いてる様に満充電なら充電切れるんちゃうの？)。ノートパソコンのUSBで充電し、ノートパソコンの上にスマホを置いて充電する光景もよく見ますが、ノートパソコンの熱をバッテリーが受けているので良くありません。

充電器に常時挿しっぱなしにする場合には、アプリの挙動に気をつけましょう。過充電になったり、異常加熱するというのは、バッテリー内部に制御装置が入っているので起こりません。

長時間放置する場合、満充電状態は避けましょう。電源を切っていたとしても、満充電状態での長時間放置は電池の劣化を早めます。自然放電による容量低下は非常に小さいので、３０％ぐらいの残量でも１年程度は十分保ちます。いつ使うか分からないと言う場合には、７０％前後にしておくと良いでしょう。ただ、あまり少なくして自然放電だけで過放電になってしまうといけないので、少な過ぎも厳禁です。
2703：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:39:01: リチウムイオンバッテリーにまつわるよくある誤解とその原因　ー電池のしくみ（６）
http://stonewashersjournal.com/2015/06/12/battery6/

前回、リチウムイオンバッテリーを長持ちさせる方法とその理由についてご説明しました。
それを読むと、「自分が聞いた話と違う」ということもあるかもしれません。では、どちらかが間違っているのかというと、そうでもないケースが実はあります。
どちらも正しいのだけれども、それが「正しい」とされる条件が違うのです。また、言葉の本当の意味が知られていない事で広がっている誤解というのも数多くあります。
そんなリチウムイオンバッテリーにまつわる誤解について紐解いて行きます。

リチウムイオンバッテリーは使いきって使った方が良い？

リチウムイオンバッテリーを長持ちさせる方法とその理由では、これは「良くない事」としています。基本的には良くないことなのですが、「使いきって使ったほうが良い」と言っている人もいます。
これはどうしてでしょう？

一つには、ニッケル水素やニカド電池時代のメモリー効果を心配して使い切りを推奨していると言う場合もあります。実際、リチウムイオンバッテリーでも、陽極の素材によっては多少のメモリー効果が確認されており、一度使いきって容量を元に戻すリフレッシュ充電が必要になることもあります。

しかし、それは本当にごく僅かなものですし、どんなに多くても月に一度１０％前後まで落とせばリフレッシュ充電の効果が十分あるとされています。そのため、毎回毎回リチウムイオンバッテリーを使い切る必要はありません。

使いきっても劣化しないと言う話もありますが、実は「使いきった」として電源が切れる制御はバッテリー側の制御装置に依存する部分があり、端末毎に「使いきる」電圧にかなりバラつきがあるのです。

早めに電源を止めてしまうバッテリーは使いきっても長持ちしますが、電池の容量を大きく見せるために電源を落とすタイミングを遅めにしているバッテリーは使い切ると劣化が進みます。

使いきったからと言って必ず劣化するとは限りませんが、使い切りにリスクがあるのは明らかです。

継ぎ足し充電は劣化する？

継ぎ足し充電は劣化するから、使いきった方が良いと言う話を耳にします。

使い切りが推奨される理由の一つとなっていますが、継ぎ足し充電で発生するメモリー効果は無視できるほどに僅かです。毎回使い切る必要はありません。

また、充電可能回数を根拠に、継ぎ足し充電は充電回数を減らすとして使い切りを推奨する場合もありますが、これも充電可能回数に関する誤解があるので正確ではありません。
むしろ、継ぎ足し充電がガンガン出来るというのがリチウムイオンバッテリーの売りであり、敢えてそのメリットを消すような使い方をする必要はないでしょう。

充電可能回数って何？

充電可能回数と言うのは、その回数充電したら使えなくなるというものではありません。
メーカー側の耐久試験で、容量１００％から放電して０％にし、それを再び充電して１００％する作業を「充電一回」とカウントし、それを何度も繰り返し、電池が消耗して最大容量が一定レベル（５０％前後）まで劣化したタイミングまでを「充電可能回数」と定義しているだけなのです。

それ以降は使えなくなるというわけではありませんし、充放電の耐久試験は実際の使用時より高い負荷をかけて行われるので、普通に使っているだけなら可能回数以上に使っても大きく劣化することはありません。

さらに、バッテリーの劣化は充放電の「回数」ではなく、充放電の「時間」「方法」「環境」に大きく依存します。充放電の回数を減らすために、使い切ったりする必要は殆どありません。

充電しっぱなしはナシ？

充電しっぱなしで使うのは良くないと言われることがありますが、充電しっぱなしで使うこと自体に問題はありません。
問題があるのは、充電しながら使って温度が上がってしまうことなのです。

充電しながら使わないに越したことは無いのですが、温度が上昇し過ぎない程度に使ったり、冷却装置を併用するか風通しの良い涼しい環境で使う分には問題ありません。

また、放電より充電の方が早いため、使いながら充電するとそのうち満充電になります。満充電の状態で温度が上がると劣化が早まるため、そう言う意味でも充電しながらの使用は控えた方が良いと言われるのですね。

温度にさえ気をつけていれば、充電しながら使っても全く問題はありません。極端な話、冷却装置でも付けてバッテリーの温度を低く保っていれば満充電のまま使っても長持ちします。
2704：とはずがたり：2017/01/17(火) 19:39:39: >>2699-2704
使わない時は満充電にする？しない？

使わない時はバッテリーに沢山電気を入れて電池がなくならないようにしたいところですが、バッテリーを長期保存する場合には、温度と容量は低めが鉄則です。

容量が多ければ多いほど温度の影響を強く受けますし、温度が高ければ高いほど劣化が早まります。そのため、少なすぎず多すぎずの容量にして、涼しい環境でバッテリーを保管しましょう。

バッテリーは放っておくと自然に放電して容量が減りますが、自然放電のペースを把握できているのであれば、３０％前後の容量が適当です。普通のスマホのバッテリーであれば、１年放置しても容量が０になることはありません。ただ、それで自然放電が進み過ぎると過放電のリスクがありますので、よくわからないのであれば、半分以上は入れておきましょう。

仮に満充電状態で温度を気にせず放置すると、一年後には環境次第で劣化が加速し最大容量が３割程度減ってしまうこともあるようです。つまり、満充電で放置すると気をつけて使っている人より劣化するということになります。

１００％って本当は満充電じゃないの？

１００％になっても実際には満充電ではなく、さらに充電し続けられていることをご存知でしたか？
また、０％で電源が切れても電力が残っている事を知っていましたか？

１００％が９９％になるまでに少し時間がかかるのは、実は１０３％くらいまで充電されていたからです。

そもそも、バッテリーメーターの表示は電圧から算出しただけの非常にアバウトなものであり、温度によって大きく変動します。また、バッテリーの制御装置によって使いきった際の電源のオンオフが行われるため、温度を変えれば電圧が復活してまた動きます。

電池を使いきってもう一度電源を入れて見ると動くことがあるのは、電源が切れたことで温度が下がり、電圧が若干復活したからなのです。非常時には冷やして使えば、意外に長時間使えたりします。

ただし、冷やした状態で使用し、再び温度が上がると予期せぬ電圧降下が起こることになるので、あまり冷やしすぎると劣化するので気をつけましょう。

冷やしすぎると結露する？しない？

電池は冷やして保存すると良いとされていますが、冷蔵庫などに入れると出した時に結露して良くないと言われています。

これは正しいですが、バッテリー単体で冷やしたり、制御装置の組み込まれていないラジコン向け電池やタオルなどで結露対策をして保管すればそれほど問題にはなりません。結露というのは、湿気が入り込む事で起こりますが、完全に密閉されているバッテリーの内部で起こることは非常に稀です。

とは言え、スマホやパソコン、携帯ゲーム機ごと冷蔵庫に入れて保管するのはやめて下さい。

こう言った電子機器では、放熱のために空気が出入りする隙間が設けられていることがあり、そこから湿気が入り込み、温度変化で結露することは十分にありえます。

バッテリーの回路以前に、端末の電子回路が結露するので危険です。

まとめ

リチウムイオンバッテリーに関する誤解は解けたでしょうか？

これらは全てリチウムイオンバッテリーに限ります。また、陰極のリチウムイオンを貯蔵する部材や陽極の素材に新しい物質が使われていたりすると、この話も少し変わってくるかもしれません。

しかし、これらの多くの誤解は、「通説が広まった理由」を知らずに通説だけを盲目的に信じてしまったことによって起きています。
何故そんな通説が広まっているのかをよく理解していれば、その通説が真実かどうかは自ずと分かるようになるはずですね。