プロジェクトのためのバッテリー化学を選択する

携帯用電源が必要な製品を開発している場合、すぐに人気のリチウムポリマーバッテリーや単純なAAバッテリーを選ぶかもしれません。しかし、それが本当にあなたのデバイスにとって最適な選択でしょうか？さまざまな選択肢と、バッテリー選択に関する他の考慮事項を見てみましょう。

考慮すべき重要なポイント

エンジニアがバッテリー選択でしばしば無視する側面の一つは、製品がエンドユーザーにどのように届けられるかです。リチウムベースのバッテリーの配送規制があるため、リチウムポリマーバッテリーを搭載した製品を郵便でエンドユーザーに届けるのは難しいかもしれません。しかし、バッテリーの配送は規制だけではありません。例えば鉛蓄電池は非常に重く、重量のために配送コストが大幅にかかる可能性があります。これらの不利な点は、これらのバッテリータイプから得られるいかなる利点よりも重要かもしれません。

よく見落とされるもう一つの考慮事項は、デバイスが使用される環境条件です。製品が屋外や産業環境で使用される場合、いくつかの化学組成が扱える温度よりもはるかに低い、または高い温度にさらされる可能性があります。室温のラボで製品をテストしているときは全てが良好に見えますが、製品がカナダで-40°Cにさらされたり、オーストラリアで+45°Cの環境下にあると、突然、バッテリーが期待通りに機能しなくなることがあります。バッテリーは化学反応に基づいており、-40°Cでは反応が遅くなり、電解質が完全に凍結してバッテリーの機能が停止することがあります。オーストラリアの例では、太陽の下の黒い箱は容易に70°Cを超えることができます。このような高温は、いくつかの化学組成が火を噴くような方法で失敗する原因となる可能性があります。

製品が携帯可能である場合、バッテリーの容量と重量は選択において重要な役割を果たすかもしれません。補聴器はこれの素晴らしい例です。人間の使用を意図した補聴器に鉛蓄電池が見られることは、少なくとも期待されません。

バッテリーの電圧もまた、選択において重要な役割を果たすかもしれません。プロジェクトに実用的な電圧を達成するために複数のセルが必要な場合、パックは非常にかさばるか、実用的でなくなる可能性があります。電圧に密接に関連しているのはもちろん電流です。一部のバッテリーは非常に高い電流を供給できますが、他のバッテリーはほとんど供給できないかもしれません。モーター、明るいLED、または処理能力に高い電流が必要な場合、多くの化学組成を即座に除外することができます。

これらの考慮事項の一例として、私は以前、小型の無人作物撮影機を実験的に自動操縦させた際に、6ヶ月間雨が降っていない42°C（107.6°F）の風の強い日に、畑の真ん中で墜落させてしまいました。大型の4セルリチウムイオンポリマーバッテリーが潰れ、1セルが故障し始めました。これが他のセルに連鎖し、最終的に放出されたガスが引火して周囲の草を燃やしました。この事態に備えて消防車を用意していたのは幸運でしたが、そうでなければ大惨事になっていたでしょう。それ以来、私たちは連鎖的な故障モードを示さず、はるかに安定しているLiFePO4セルのみを使用して飛行させています。私はリチウム二次電池のエネルギー密度が必要でしたが、数百万円の火災損害責任を負う能力は必要ありませんでした。

火事は大したことないように見えるかもしれませんが、もしこれが飛行エリアの遠端、遠くの木々のそばで起きていたら、私たちが駆けつけるまでに巨大な災害になっていたでしょう。新しいハードウェア/ファームウェアをテストして数十機の航空機を墜落させましたが、火災を起こしたのはこれが初めてでした。多くのテストにもかかわらず、バッテリーの挙動のエッジケースが、状況がちょうど良ければあなたを噛みつく可能性があることを示しています。

一次電池と二次電池

バッテリーを探す際には、充電式バッテリーが適切な選択かどうかを考慮する必要があります。デバイスに充電回路を持つことは非常に便利ですが、重要な規制要件や安全承認を伴うこともあります。リチウムベースのバッテリーは充電方法に敏感で、適切に扱われない場合は火災の災害を引き起こす可能性があります。他の化学組成は過充電されてもロケットエンジンに変わることなく満足しています。

長期間保管され、使用されるときには信頼性が非常に高い必要があるデバイスの場合、充電式バッテリーはお探しの解決策ではないかもしれません。例としては、パーソナルロケータービーコンや自動体外式除細動器が挙げられます。

では、一次電池と二次電池とは何か？簡単に言うと、一次電池は使い捨てです。バッテリー内の化学物質が電荷を生み出しますが、その反応はセルを充電することで逆転させることはできません。二次電池は充電による再使用が可能です。

一次電池は通常、二次電池に比べて比較的高いエネルギー密度と保管寿命を持っています。二次電池は排出後に交換する必要がないため、より便利かもしれませんが、長期間充電状態で保管することはできず、同じセルサイズに対して一次電池と同等の容量を持つことはないかもしれません。

簡単な比較

ここでは、私が重要だと考える各化学組成の要因の簡単な比較を示します。

一次電池

放電電流について、Cは容量を意味します。したがって、2500mAhのバッテリーの0.1C放電は250mAhになります。

二次電池

ニッケルカドミウムは、ヨーロッパ内の新しい用途では使用禁止です。

アルカリ

製造される電池の約80％がアルカリ電池であるため、最も多く接触する電池の化学種類である可能性が高いです。これらは一次電池であり、充電不可です。AAA、AA、C、Dのような文字サイズ、ボタン電池、またはセルのパック（9V電池）など、多くの一般的な形で見つけることができます。これらの一般的な形はアルカリ電池に限定されたものではありませんが、アルカリ電池を見つける最も標準化された形です。

アルカリ電池の公称電圧は1.5Vです。しかし、新しい電池はその品質によって1.5Vから1.65Vの範囲で変動します。完全に放電されたセルは、休止電圧が約0.8Vから1.0Vになります。

この電圧範囲は、非常に低いドロップアウトレギュレータを持つ3つのセルで3.3Vデバイスを動作させることができるため、ほとんどの電子機器にとってかなり便利です。セルの容量の終わりには、電圧がさらに低下しますが、ほとんどのICは低電圧をうまく処理します。しかし、同じセルサイズが公称電圧が1.2Vの二次電池に使用されるため、3.3Vデバイスを動力するためには、一般的に4つのセルパックが最小限必要です。

アルカリセルからの放電電流は比較的低く、使用可能な容量は電流の引き出しに直接関連しています。AAサイズのセルから25mAを引き出した場合、約2700mAhの容量が期待できます。しかし、500mAの負荷では、使用可能な容量がほぼ半分になります。

アルカリ電池は空輸による輸送の制限がなく、世界中のほぼすべての食料品店、コンビニエンスストア、およびハードウェアストアで入手可能であり、使い果たした電池の交換を非常に簡単にします。名前のついたブランドのアルカリ電池のコストはかなり高いことがありますが、低コストブランドや店舗ブランドは非常に安価で、ほとんど容量が失われることなく、場合によっては名前のついたブランドのオプションよりも大きな容量を持つことがあります。

アルカリ電池の主な欠点の一つは、漏れやすいことです。いくつかの名前のついたブランドのセルは、100％漏れないことと保証が付いていると宣伝されており、アプリケーションによっては、ブランド名のプレミアムを支払う価値があるかもしれません。漏れは、電池が放電されると水素ガスが生成されるために発生します。このガスは、ケースとキャップの間の絶縁が失敗するか、ベントなどの他の安全装置が開く原因となります。一度シールが失敗すると、酸が結晶成長として漏れ出し、接触するほとんどの金属を腐食させます。

アルカリ電池は容易にリサイクルされ、世界中（特にヨーロッパ）の多くの食料品店やオフィス用品店がそれらのためのリサイクルビンを提供しています。

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リチウム（一次電池）

消費者向けリチウム一次電池には、リチウムマンガン二酸化物（Li-MnO2）とリチウム鉄二硫化物（Li-FeS2）の2つの主要な化学組成があります。リチウムマンガン二酸化物電池は、3-3.3Vの公称電圧を持ち、通常、ボタン電池のパッケージで見られます。リチウム鉄二硫化物は、AAA/AAサイズの電池で、高放電/容量のアルカリ代替電池として最も一般的に見られます。

航空宇宙や軍事アプリケーションで作業している場合、リチウム炭素一フッ化物は、高温での自己放電が少ないため、宇宙でのアプリケーションに適格な選択肢です。高エネルギー密度は、そのようなアプリケーションに理想的ですが、そのコストは消費者製品には禁止的です。

すべての化学組成のリチウム電池は、航空輸送で制限されています。一部の航空会社、宅配便、郵便サービスは、それらをまったく運ばないか、消費者機器に搭載された電池の輸送に制限を設けています。残念ながら、これは過剰な注意からではなく、電池が不適切に梱包されたり、欠陥があったりした場合に、リチウム一次電池および二次電池の火災により、複数の貨物機が失われたためです。リチウム電池に関連する複数の火災事故があり、NTSBおよびCTSBの記録を検索すれば見つかります。

リチウムマンガン二酸化物

この化学組成のリチウム電池は市場で最も一般的です。自己放電が少なく、エネルギー密度が高いため、時計やリアルタイムクロック電池で動作しているのを見つけることができるでしょう。高温では自己放電率が急速に上昇するため、室温でのアプリケーションに最も適しています。

電池の公称電圧は3.0Vですが、新しい電池は開回路電圧が約3.3Vになります。完全に放電されると、電池の開回路電圧は約2.0Vになります。2500mAhの電池では、5mAから100mAの放電率は使用可能容量にほとんど影響しません。しかし、200mAの負荷の下では、電池は1700mAhの使用可能な充電を持つだけであり、300mAの負荷では、これが約1300mAhに減少します。リチウムマンガン二酸化物電池は、高電流の短いパルスをよく処理しますが、連続負荷は処理しません。使用可能な電流も温度によって大きく変わります。例えば、60°Cでは、前述の2500mAh電池に40mAの負荷をかけると、2500mAhを完全に消費することができますが、0°Cではこの数値は約2200mAhに減少します。さらに、-10°Cから-20°Cの間で急速に減少し、1800mAhからわずか1000mAh以上になります。

最も一般的なコインセルサイズは、世界中のコンビニや食料品店で容易に入手できます。残念ながら、これらは同じパッケージングで、より安価なアルカリ代替品の隣にも置かれていることがあります。エンドユーザーは、高放電パルスやリチウム電池のはるかに大きな容量を必要とする場合、仕様に合わないデバイスの機能を引き起こす可能性があるアルカリ電池を知らずに代替品として使用するかもしれません。

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リチウム鉄二硫化物

非常に低温での使用を考えている場合、リチウム鉄二硫化物電池に勝るものはほとんどありません。これらは一般的にエナジャイザーリチウム/リチウムアドバンスAAAまたはAAサイズのセルとして見つかります。これらのセルのワット時あたりの価格は、アルカリ電池と比較して非常に高いです。しかし、長いサービス寿命が求められる場合や、放電した電池の交換が困難な場合には、これらが唯一の実用的な選択肢となるかもしれません。私はこれらを-50°Cでの性能が求められるアプリケーションで使用したことがあり、これらが唯一機能した電池でした。

これらのセルは、公称電圧が1.5vで、完全に充電された開放回路電圧は約1.7vです。完全に放電されると、セルは開放回路で約0.8vに落ちます。これらの電池の低温性能に加えて、比較的高い連続放電率を非常によく処理します。AA形状のエナジャイザーアルティメットリチウムセルは、アルカリセルのほぼ2倍の容量を持ち、最も注目すべきは、1アンペアの負荷下でもこの容量がほとんど減少しないことです。1アンペアの負荷下では、セルはその3500mAhの容量のほぼ全てを保持しますが、アルカリ電池では、その定格の低電流容量の1/3以下しか使用できません。

これらのセルは、世界中の大きな店舗で見つけることができます。比較的高価であるため、小さなコンビニエンスストアでは常にこれらを扱っているわけではありません。

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酸化亜鉛

亜鉛空気電池とも呼ばれることがありますが、これらの電池は限られた範囲のサイズで見つかります。主に、これらの電池は補聴器に使用され、膨大な容量を持っていますが、一度活性化すると非常に短い寿命を持ちます。亜鉛空気電池は、空気が入るのを防ぐためにセルの片側にステッカーが貼られています。空気中の酸素がカソードを形成するため、ステッカーを剥がすと電池が機能します。電池のアノードは電解質で飽和しており、大気中の湿気を引き寄せて効果が低下し、また二酸化炭素と反応して導電性が低下します。これらの特性により、セルは露出後、使用状況に関係なく約7から12日のサービス寿命を持ちます。非常に小さい形状で頻繁に電池を交換できるアプリケーションがある場合、この電池が適しているかもしれません。

酸化亜鉛電池は公称電圧が1.4vで、完全に放電された時の開放回路電圧は約1.05vになります。化学的には市場で最高のエネルギー密度を持ちますが、放電率はかなり限られています。エナジャイザーは、600mAhのセルにおいて、24mAのパルスを2時間ごとに、そして8mAの連続ドレインを高ドレインと考え、5mAの引き出しを標準としています。放電容量も温度に大きく依存し、化学反応は約-10⁰C以下では実用的ではありません。

補聴器用電池は、あらゆる種類の電池を販売しているほとんどの店舗や、世界中の薬局で購入できます。これらの電池の容易な入手性は、短いサービス寿命にもかかわらず、非常に魅力的にするかもしれません。

銀酸化物

銀酸化電池はコインセル形式でのみ見つかり、比較的高価です。同じ寸法と電圧のアルカリ電池は容易に入手できますが、容量は大幅に低くなります。コンパクトで低電流のソリューションが必要で、長年のサービス寿命と高容量を提供する必要がある場合、銀酸化電池を検討すると良いでしょう。

公称電圧はアルカリ電池の1.55vとわずかに高く、セルは1.2vまで放電できます。容量は室温から-20⁰Cまで直線的に低下し、セルは室温での使用可能容量の約50％を持っています。銀酸化電池は非常に低い放電性能を持ち、ほとんどのデータシートは0.2mAの放電曲線のみを提供し、パルス負荷能力のデモンストレーションはありません。

銀酸化電池は同じサイズのアルカリ電池よりも見つけにくいです。イギリスの地元の店を探したとき、私はアルカリとリチウムボタンセル電池しか見つけることができませんでした。オンラインでは容易に入手できますが、おそらく食料品の買い物をしている間に交換用のセルを手に入れることはできないでしょう。

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鉛蓄電池

鉛蓄電池はワット時あたりのコストが非常に安いですが、かなりかさばり、非常に重いです。一般的に自動車や警報システムで見られます。昼間に太陽光発電で充電する可能性のある固定の遠隔地でシステムを稼働させる必要がある場合、鉛蓄電池がちょうど良い選択かもしれません。電池は充電に特に神経質ではなく、非常に安全で、100アンペア時のレジャーバッテリーはほとんどのシステムを非常に信頼性高く最小のコストで長期間稼働させることができます。

鉛蓄電池の公称電圧はセルあたり2.1vですが、単一セルで提供されることはほとんどありません。通常、3、6、または12セルの構成で利用可能で、警報用バッテリーは3または6セル、自動車およびレジャーバッテリーは6セル、トラックバッテリーは12セルです。短期間の放電率はかなり印象的で、典型的な軽トラックバッテリーは寒冷時に7C以上の放電が可能です。

鉛と硫酸の構造のため、バッテリーの処分は困難であり、損傷した場合は非常に危険です。通常、新しいバッテリーを購入するとき、古いものをリサイクルのために引き換えることができます。

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ニッケルカドミウム

ニッケルカドミウム電池は、ほぼ完全にNiMHに置き換えられた古い技術であり、化学物質はヨーロッパではすべての新しいアプリケーションで禁止されています。セルは非常に安価で非常に高い放電率に対応できるのが魅力ですが、環境ハザードがこの化学物質のわずかなコストメリットを無効にします。

ヨーロッパでの使用制限のため、この化学物質は時代遅れとみなされ、新しい設計での使用は推奨されません。

ニッケル水素

ニッケルカドミウムとは異なり、ニッケル水素電池は世界中で豊富に利用可能です。消費者向けデバイスを開発している場合、ニッケル水素（NiMH）電池は二次電池として非常に強力な候補です。リチウムベースの二次電池と同じエネルギー密度はありませんが、輸送に関する制限がなく、正しく充電しなかった場合に発火することがなく、非常に安価です。ニッケル水素電池は高放電アプリケーションには適しておらず、自己放電特性が高いです。しかし、自己放電が低い新しい化学物質もありますが、これらの電池のエネルギー密度はさらに低いです。

NiMH電池の公称電圧は、同サイズのアルカリ電池よりも低く、1.2vです。これは、アルカリの1.5vと比較して、アルカリ用に設計された回路で問題を引き起こす可能性があります。完全に放電した場合、電池の開回路電圧は約0.9vになります。化学物質は連続的な高放電電流には適していませんが、2Cの放電を処理することができます。

NiMH電池の自己放電は大きな問題になることがあります。自己放電が低い（LSD）と宣伝されている新しい化学物質は、1ヶ月にわずか1%の容量を失うことがあり、これは一次電池と似ています。これには、電池の容量が約8-10%少なくなるというペナルティが伴います。一方、非自己放電化学物質は、充電後の最初の日に20%の充電を失い、その後は1日あたり最大4%を失うことがあります。電流引きが少ないアプリケーションでは、自己放電が低い電池の容量の損失は、延長されたサービス寿命で十分に補うことができます。

NiMH電池は広く利用可能ですが、容量を確認するためにパッケージをチェックすることが非常に重要です。CおよびDなどの大きな電池サイズでは、大手ブランドが期待される容量のごく一部しかない小さな電池をプラスチックケースに取り付けていることが知られており、あまり知られていないブランドよりも高価です。これは、Energizerのようなブランドから、同じ容量と似た重さのAA、C、D電池を簡単に見つけることができることを意味します。

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ニッケル亜鉛

ニッケル水素のアルカリよりも低い電圧がアプリケーションにとって実用的でない場合、より高い電圧を持つニッケル亜鉛が求めているものかもしれません。ニッケル亜鉛の発明は1901年にさかのぼりますが、非常に限られたバッテリー寿命を解決した後、最近になって商業的なオプションが実現可能になりました。現在、NiZn電池はNiMH電池と同様のサイクル数に達することができます。残念ながら、これらの電池はかなりの自己放電を持っており、約30サイクル後には著しく増加すると報告されています。

NiZn電池の化学組成は名目上1.65vですが、充電後には1.85vまで高くなることがあります。NiMHやアルカリ電池を想定している設計では、直列に接続されたセルの数に応じて、一部のコンポーネントの定格を超える電圧になる可能性があります。完全に放電されたセルは、1.1または1.2vになります。セルは通常、3C以上の放電でわずかな放電容量の低下しか示さないメーカーのデータシートグラフを持っており、高電流デバイスや高電流パルスを持つデバイスにとって非常に魅力的です。

これらのセルの自己放電は、私の意見では最大の欠点です。月に10％以上とかなり大きいです！アプリケーションが数ヶ月間電池を持続させる必要がある場合、NiZnセルは選択肢から外れるかもしれません。高アンペアやNiMHよりも高い電圧が必要で、電池をより頻繁に充電できる場合は、問題にならないかもしれません。

現在、NiZnセルはAAAとAAの形で最も入手しやすく、オンラインでしか見つけていません。私が訪れたイギリスの電子機器店や写真店では在庫していませんでした。

リチウム（二次電池）

一次電池の対応品と同様に、リチウム二次電池は、火災のロケットエンジンになる傾向があるため、旅行に関しては大きな制限があります。携帯電話、ノートパソコン、タブレットが火の玉になるというメディアの話を聞いたことがあるでしょう！それはリチウムバッテリーが原因です。多くの国で空輸は禁止されており、陸送も制限されることがあります。これは、組み込みの充電式リチウムバッテリーを搭載した製品を販売することを非常に困難にします。私はリチウム二次電池に関して多くの経験を持っており、火災の危険性は誇張されていると感じていますが、火災が発生したことがあり、確かに心に留めておくべきことです。

リチウム電池は非常に魅力的なエネルギー密度と、一部の化学組成での著しい放電率を持っています。しかし、この不安定さは、過放電、過充電、過熱、過大な電流引き出しに非常に敏感であることを意味します。リチウム二次電池を使用する場合、充電およびバッテリー保護回路が適切であることを確認する必要があります。デバイスが放電または充電から過熱している場合にデバイスをシャットダウンさせるために、リチウム電池に熱センサーが取り付けられているのは非常に一般的です。

リチウムバッテリーには多くの化学組成があり、実際に何を購入しているのかを知らないことがあります。最も一般的に見られるのはリチウムコバルト酸化物（LiCoO2）で、通常「ICR」とラベル付けされています。人気が高まっているのはリチウムマンガン酸化物（LiMn2O4）で、通常「IMR」とラベル付けされています。マンガンはコバルトよりもかなり安価で、より高いセル電圧（名目上3.9v対3.7v）をもたらします。しかし、マンガンセルはエネルギー密度が低いです。高放電セルはリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物（LiNixMnyCo1-x-yO2）で、「INR」とラベル付けされています。INRセルも非常に良いエネルギー密度を持っており、電気自動車で見つかるかもしれません。これらはすべてリチウムイオン技術であり、リチウムイオンポリマー構造でも利用可能です。リチウム鉄リン酸塩（LiFePO4）は別途議論されます。

リチウムイオン対リチウムイオンポリマー

2つの主な違いは構造方法にあります。リチウムポリマーセルは、薄い多孔質ポリマーメンブレンとゲル状電解質を使用しており、これにより高エネルギー密度と高放電率の可能性が生まれます。この薄いポリマーメンブレンが、セルがショートするか、過熱が問題を引き起こすのが容易になるため、ポリマーセルをより不安定にします。これは、高エネルギー密度と組み合わせることで、よりエネルギッシュな故障を引き起こす可能性があります。

円筒形セルと角形（ポーチ）セルの両方で、これらの構造が利用可能です。リチウムイオンのコストは、構造が複雑でないため、通常は低くなります。

3.7vの公称化学組成はすべて、ピーク充電電圧が4.2vであり、3.0v以下に放電されるべきではありません。セルごとに2.8v以下に放電されたバッテリーは損傷を受け、寿命が短くなり、充電中や大放電時に不安定になるリスクが高まります。

リチウム鉄リン酸塩

LiFePO4は、他のリチウムイオンセルに比べて落ち着いており、やや密度が低く、電圧が低い親戚です。

リチウム鉄リン酸塩は公称電圧が3.2vであり、2.2v以下に放電されるべきではありません。2.0vまで放電すると、セルに損傷を与えるリスクがあります。リチウムイオン、特にリチウムイオンポリマーと比較して、同じ重量/体積で約20%低いピーク放電電流と容量を持っています。高放電が必要でありながら、他のリチウムオプションよりも安全性が向上していることが求められる場合、このセルが適しているかもしれません。

火事についての私の話に関して言えば、その時点で私はバグを解決するために週に1、2回は飛行機を墜落させていました。一般的に、セルはバナナのような形になっても大丈夫ですが、内部でショートして火事を引き起こす1回の出来事が多大な損害を引き起こすことがあります。小容量のリチウムイオンポリマーセルは、火をつけるのがかなり難しいです。100-200mAhのパックを火事に至るまで物理的に損傷させようと非常に努力しましたが、成功しませんでした。しかし、小さなバッテリーを過充電すると、結果が悪くなる可能性がかなり高いです。

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