リチウムイオン電池

リチウム電池は、充電と放電のサイクル中にカソードとアノードの間でリチウムイオンが移動することで機能します。充電中、リチウムイオンはカソードからアノードに移動し、そこに保存されます。放電中は、プロセスが逆になり、イオンはカソードに戻り、電気エネルギーを放出します。リチウムイオン電池は、カソード、アノード、電解質に使用される材料に基づいて分類できます。ただし、最も重要な違いと分類は、カソードとアノードに使用される材料の種類によって決まります。カソード材料に基づく一般的な種類は次のとおりです。リチウムコバルト酸化物 (LiCoO2) - LCO、リチウムマンガン酸化物 (LiMn2O4) - LMO、リチウムニッケルマンガンコバルト酸化物 (LiNiMnCoO2) - NMC、リチウム鉄リン酸 (LiFePO4) - LFP、リチウムニッケルコバルトアルミニウム酸化物 (LiNiCoAlO2) - NCA、リチウムチタン酸 (Li4Ti5O12) - LTO。一般的なリチウムイオン電池のモデルには、18650 リチウム電池、21700 リチウム電池、26650 リチウム電池、CR123A リチウム電池、CR2032 リチウム電池、AA リチウム電池、AAA リチウム電池、NCR18650B リチウム電池、NCR18650GA リチウム電池、NCR20700A リチウム電池があります。

アルカリ電池

アルカリ電池は、アルカリ電解液（通常は水酸化カリウム（KOH））中の亜鉛（Zn）と二酸化マンガン（MnO2）の化学反応の原理で動作します。電池の使用中、陽極の亜鉛は酸化され、陰極の二酸化マンガンは還元され、接続されたデバイスに電力を供給する電子の流れが生成されます。アルカリ電解液はイオンの移動を容易にし、酸性または中性電解液電池と比較して高い効率と長い保存期間を保証します。これらの電池に使用される一般的な材料には、亜鉛、二酸化マンガン、水酸化カリウムなどがあります。アルカリ電池の一般的なモデルには、AA、AAA、C、D、9Vがあり、信頼性、エネルギー密度、コスト効率の高さから、リモコン、懐中電灯、おもちゃなどの家庭用機器で広く使用されています。

電池容量：リチウム電池とアルカリ電池

アルカリ電池とリチウムイオン電池の容量を比較する場合、化学と用途の基本的な違いを考慮することが重要です。アルカリ電池（通常は単 3 または AAA）の公称電圧は 1.5 ボルトで、容量は単 3 電池で約 1700 ～ 3000 ミリアンペア時間（mAh）、単 4 電池で 700 ～ 1200 mAh の範囲です。対照的に、さまざまな形状とサイズのリチウムイオン電池は、一般的な 18650 などの円筒形セルの場合、公称電圧が約 3.7 ボルトと高いことが多く、容量は特定の化学的性質と設計に応じて 1800 mAh から 3500 mAh 以上まで大きく異なります。

たとえば、一般的な単三アルカリ電池は、1.5 ボルトで約 2,000 mAh の電力を供給し、3 ワット時 (Wh) のエネルギーに相当します (mAh x V = Wh)。一方、標準的な 18650 リチウムイオン電池は、3.7 ボルトで約 3,000 mAh の電力を供給し、11.1 Wh のエネルギーに相当します。このエネルギー含有量の大きな違いが、スマートフォン、ラップトップ、電気自動車など、より多くの電力と寿命を必要とする高消費電力デバイスやアプリケーションにリチウムイオン電池が好まれる理由です。

実際の例は、ポータブル電子機器で見ることができます。単三アルカリ電池を使用するデジタルカメラは、交換が必要になるまで数時間しか動作しませんが、充電式リチウムイオン電池を内蔵したカメラは、同様の使用条件で 1 回の充電で数日間使用できます。この性能の差は、リチウムイオン電池のエネルギー密度と効率が高いことに起因しています。これにより、アルカリ電池と同等またはより小さな体積でより多くのエネルギーを蓄えることができ、長期間にわたって大きな電力を必要とする現代の電子機器に適しています。

電池電圧:リチウム対アルカリ電池

リチウムイオン電池 1 個の電圧は、アルカリ電池よりも高くなります。これを実際の例で説明するために、懐中電灯などの一般的な機器を考えてみましょう。懐中電灯は通常、複数のアルカリ電池を直列に接続して動作させる必要があります。各アルカリ電池の電圧は約 1.5 ボルトです。18650 タイプのリチウムイオン電池の公称電圧は通常 3.7 ボルトです。つまり、より高い電圧を得るために必要なリチウムイオン電池の数は、アルカリ電池の数よりもはるかに少ないことが多いということです。

サイクル寿命と寿命:リチウム電池とアルカリ電池

リチウムイオン電池とアルカリ電池のサイクル寿命を比較すると、充電性と耐久性の点でリチウムイオン電池が明らかにアルカリ電池を上回っています。リチウムイオン電池は 500 ～ 1,000 回の充電放電サイクルに耐えることができ、一部の高品質タイプでは最大 2,000 サイクルに達することもあります。一方、充電式アルカリ電池は 50 ～ 100 サイクル程度で、大幅に遅れています。この大きな違いは、頻繁な充電を必要とする用途におけるリチウムイオン技術の優れた効率性と持続性を浮き彫りにしています。

全体的な寿命に関しても、リチウムイオン電池は最適条件下で 2 ～ 3 年間の使用が可能で、未使用のアルカリ電池の保管寿命は 5 ～ 10 年です。ただし、デバイスにおけるアルカリ電池の実際の寿命は大きく異なり、低消費電力デバイスでは数か月、高消費電力アプリケーションでは数時間です。この比較から、使用頻度が高いシナリオではリチウムイオン電池の方がコスト効率が高く環境に優しい選択肢であることがわかります。一方、アルカリ電池は保存期間が長く、初期費用が低いため、低消費量で使用頻度が低い場合でも価値がある可能性があります。

価格: リチウム電池とアルカリ電池

リチウムイオン電池は、通常、アルカリ電池に比べて初期費用が高くなります。たとえば、充電式 AA 電池を考えてみましょう。一般的なリチウムイオン充電式 AA 電池はセルあたり約 5 ～ 10 ドルですが、アルカリ AA 電池はセルあたり約 0.50 ～ 1 ドルで購入できます。ただし、リチウムイオン電池はアルカリ電池よりも寿命が長くなります。

エネルギー密度の点では、リチウムイオン電池は容量が高く、アルカリ電池に比べて単位体積または重量あたりのエネルギーをより多く蓄えることができます。これは、リチウムイオン電池で駆動するデバイスの稼働時間が長くなることを意味します。デジタルカメラの例を考えてみましょう。容量が 1200mAh のリチウムイオン電池は約 300 枚の写真に電力を供給できますが、容量が 2700mAh のアルカリ電池は約 100 枚の写真しか持続しません。このエネルギー密度の違いは、ユーザーがアルカリ電池をより頻繁に交換する必要があるため、全体的なコストに影響を与える可能性があります。したがって、リチウムイオン電池は初期コストが高くなりますが、寿命が長くエネルギー密度が高いため、特に電力需要が高いデバイスでは、長期的にはコスト効率が高くなります。一方、アルカリ電池は、初期コストが低いことと使用頻度が低いデバイスに適しています。このようなデバイスでは、再充電性とエネルギー密度の高さが求められますが、初期コストが低いことがメリットになります。

重量: リチウム電池とアルカリ電池

リチウムイオン電池はエネルギー密度が高いため重量面で有利であり、携帯性と軽量化を優先するデバイスに適しています。たとえば、ポータブルゲームコンソールの電源に電池が必要なシナリオを考えてみましょう。一定容量のリチウムイオン電池パックは、コンソールの重量を比較的軽く保ちながら必要なエネルギーを供給できます。対照的に、同じエネルギー容量のアルカリ電池を使用すると、コンソールが重くなり、使い心地が悪くなる可能性があります。

環境に優しい：リチウム電池とアルカリ電池

環境の観点から見ると、リチウムイオン電池は充電可能なため、アルカリ電池よりも環境に優しいと一般的に考えられています。充電可能なため、時間の経過とともに廃棄物と資源の消費が大幅に削減されます。リチウムイオン電池は製造に多くの資源とエネルギーを必要としますが、数百から数千回の充電サイクルに耐えられるため、デバイスの寿命全体で必要な電池の数が少なくなり、通常は使い捨てで有害廃棄物の量が多いアルカリ電池と比較して環境への影響が大幅に軽減されます。さらに、リチウムイオン電池はリサイクルインフラがより確立されているため、環境への影響がさらに軽減され、持続可能性を優先する人々にとってより適切な選択肢となります。