バッテリーにはさまざまなサイズや形状がある理由

最近、ユーティリティ引き出しの中を覗いてみると、電子機器に電力を供給するさまざまな形状、サイズ、種類のバッテリーに気づいたかもしれません。まず、時計や小物用の丸い非充電式ボタン電池があります。電卓、時計、リモコン用に人気の単 3 形および単 4 形の円筒形電池もあります。そして、ラップトップや携帯電話には充電可能なリチウムイオン電池が搭載されています。車の鉛蓄電池についても忘れないでください。

私は教授です 電池と電気化学を研究しています. 。電池にはさまざまな種類がある理由を理解するには さまざまなサイズと形 – そして多くの目的に役立ちます – 過去に目を向け、電池がどのように誕生し、長年にわたってどのように発展してきたのかを見てみましょう。

最初の電池は 1800 年代に作られ、非常に単純なものでした。最初のデモンストレーションの 1 つは、 塩水に浸した一連の金属ディスク, イタリアの科学者アレッサンドロ・ボルタは、電流を生み出すことを発見しました。最初の鉛蓄電池は 硫酸の入った瓶に入った数個の鉛. 。現代のバージョンでもそれほど違いはありません。製造が容易であり、性能を向上させるためにさまざまな添加剤が含まれています。

どの場合でも、バッテリーは同じように機能します。2 つの異なる電極間の電圧差によって電流が生成され、この電流を放電してデバイスに電力を供給することができます。充電式バッテリーは、この電流を逆にして充電することができます。バッテリー内部では、電流に伴って液体である電解質を通るイオンの流れが発生します。

電流中の各電子の通過には、電解質を通る 1 つのイオンの輸送が伴います。より多くのイオンを蓄えることができる電極は、より多くの電荷を保持できるバッテリーにつながり、したがって 1 回の充電でより長く持続することができます。より高速なイオン貯蔵用に設計された電極により、高出力用途向けにより高速に放電できるバッテリーが実現します。最後に、劣化することなく何度も充電および放電できるため、バッテリーの寿命が長くなります。

鉛蓄電池

鉛蓄電池は、1859 年に発明された最初の充電式電池でした。 ガストン・プランテ, 彼は、酸性溶液中で鉛板を実験し、電流の流れと蓄積を逆転できることを発見しました。

鉛蓄電池は、車を始動するのに十分な充電を提供できる大きさでなければなりません。また、寒冷地でも使用でき、長年にわたって使用できる必要があります。電解液は腐食性の酸であるため、人や車の部品をあらゆる危害から守るために、外部ケーシングは頑丈でなければなりません。こうしたことをすべて知っていると、現代の鉛蓄電池が塊状で重いのも当然です。

アルカリ電池

一方、電卓やデジタル秤などの家庭用機器は、大量の充電を必要としないため、小型のバッテリーを使用する余裕があります。これらは主に、数十年にわたって使用されてきた非充電式アルカリ電池です。標準化された電池サイズは、AAAA、AAA、AA、C、D のほか、ボタン電池やコイン電池など多くのものがあります。サイズは、蓄電量（バッテリーが大きいほど保持できる量）と、電力を供給するデバイスのサイズに関係します。

場合によっては、一般的な 9 ボルト電池のように、角形のアルカリ電池が販売されていることがありますが、 外装ケースを開ける それらは単にいくつかの円筒形のセルが内部で接続されているだけであることがわかります。円筒形電池は非常に古くから存在し、広く使用されているため、企業が別のものを製造することは意味がありません。製造設備を変更するには投資が必要になりますが、企業はそうしたくないのです。

リチウムイオン電池

ニッケルカドミウム電池は、家庭用電子機器に最初に広く使用された充電式電池で、20 世紀の終わりまで普及しました。しかし、彼らには落とし穴がありました。カドミウムは非常に有毒であり、バッテリーには「メモリー効果」が発生し、寿命が短くなりました。

リチウムは、大量のエネルギーを蓄える軽量金属としてのユニークな特性のため、何十年もの間、充電式電池での使用の可能性について研究されてきました。まずはソニー リチウムイオン電池を商品化 1991年に。

同社は円筒形セルを製造しました。これは、円筒形セルが最も製造しやすかったためです。1990 年代、ソニーは多くのビデオカメラとテープを製造していたので、 ロールツーロール製造. 。この装置を再利用して電池電極のロールを製造するのは当然のことであり、これは銅またはアルミニウムのシート上にフィルムをキャストし、それを「ゼリーロール」シリンダーに丸めることによって作られます。

これらの厚い筐体 円筒形セル 機械的に強度があり、さらに安全性を高めるために圧力リリーフバルブが付いています。これらの初期のリチウムイオン電池は、ニッケルカドミウム充電式電池よりも多くのエネルギーを蓄え、寿命が長いため、急速にポータブル電子機器市場、特にラップトップや携帯電話市場を席巻しました。

電池を形作る要因

バッテリーはコストと製造性の理由から特定のサイズと形状で作られますが、場合によっては従来の製造プロセスが原因で作られます。市場の需要も影響します。

たとえば、電気自動車は、テスラが他のEVメーカーが使用している長方形のポーチや角柱状のセルではなく、円筒形のリチウムイオン電池セルを使用する自動車の製造を開始するまで普及しませんでした。パウチセルや角形セルは密に詰めることができますが、円筒セルは密集して梱包できないため、 すでに量産されている ポータブル電子機器の分野では、テスラは 2010 年代に低コストの EV を製造することができました。

将来、電池がどのような形状やサイズになるかは、電池がどれだけのエネルギーを蓄えるかだけでなく、各タイプの電池の製造がどれほど簡単か、製造にどれくらいのコストがかかるか、また電池が何に使用されるかといった市場経済にも左右されます。のために。そしてそれらの要素には、革新性と歴史が組み合わされています。