--- title: 電池技術 url: https://doc.liz6.com/ja/hardware/08-power-and-protection/02-battery-technology locale: ja area: hardware tags: - hardware - power-and-protection date: 2026-06-30 modified: 2026-07-16 description: 電池技術 一般的な電池化学 比較一覧 | 化学 | 公称電圧 | 満充電 | エネルギー密度 | サイクル寿命 | 安全性 | コスト | |------|----------|------|----------|----------|--------|------| | Li-Ion (コバルト酸リチウム LCO) … --- # 電池技術 ## 一般的な電池化学 ### 比較一覧 | 化学 | 公称電圧 | 満充電 | エネルギー密度 | サイクル寿命 | 安全性 | コスト | |------|----------|------|----------|----------|--------|------| | Li-Ion (コバルト酸リチウム LCO) | 3.7V | 4.2V | 最高 | 300〜500 | 悪い | 高い | | Li-Po (リチウムポリマー) | 3.7V | 4.2V | 高い | 300〜500 | 普通 | 中〜高 | | LiFePO₄ (リン酸鉄リチウム LFP) | 3.2V | 3.65V | 低い | 2000〜5000 | 非常に良い! | 低い | | NMC (三元系リチウム) | 3.6V | 4.2V | 高い | 500〜1000 | 普通 | 中 | | NiMH (ニッケル水素) | 1.2V | 1.4V | 低い | 500〜1000 | 良い | 低い | | 鉛酸 (Lead-Acid) | 12V | 13.8V | 非常に低い | 200〜300 | 良い | 最も低い | ### 選択ガイド ``` スマートフォン/ノートPC/ウェアラブル → Li-Po (薄型、異形対応、軽量) 電気自動車 (EV) → LFP (安価で安全) または NMC (長距離走行) 蓄電システム/太陽光 → LFP (長寿命、安全) 航空模型/RC → Li-Po (高出力放電) UPS/自動車始動 → 鉛酸 (安価、丈夫) リモコン/玩具 → NiMH またはアルカリ乾電池 ``` --- ## Li-Ion / Li-Po 詳細 ### 電圧と残量の関係 ``` 典型的な Li-Ion (NMC/LCO): 4.2V = 100% 4.0V ≈ 80% 3.8V ≈ 50% 3.7V = 公称電圧 (約 37%) 3.6V ≈ 20% 3.5V ≈ 10% 3.0V = 0% (放電終了電圧、これ以下だと損傷する) 非線形である! 4.2→3.8V は急速に低下し、3.8→3.5V は比較的平坦 3.5〜4.2V の範囲で線形に電量を推定することはできない ``` ### 寿命に影響する要因 ``` サイクル寿命を縮める要因 (優先度順): 1. 高温 (>40°C) — 最大の敵 - 高温下で満充電状態での保存: 1年で容量が35%減少 - 常温下で満充電状態での保存: 1年で容量が20%減少 - 常温下で40%の電荷状態での保存: 1年で容量が4%減少 2. 満充電/過放電状態での保存 - 長期未使用時: 40〜60%に充電し、涼しい場所に保管 - 100% または <10% の状態を長期維持しないこと 3. 深度放電 - 毎回 100%→0%→100% のサイクル: 300 回 - 毎回 80%→30%→80% のサイクル: 1000+ 回可能 4. 大電流 - 1C 充電: 標準 - 2C 充電: 老化を加速 - 急速充電は電池に負担がかかるが、日常の利便性 > 電池寿命 (多くの人は気にしない) 寿命を延ばす方法: 80% で充電を停止する (一部のスマートフォン/ノートPCにこの機能あり) 自動シャットダウンまで使い切らない 大型ゲームをしながら充電しない (熱と電圧の二重ストレス) ``` ### 保護基板 (PCM/BMS) ``` 単セル用保護基板 (各 Li-Ion バッテリーパックに搭載): 過充電保護: >4.25V ± 0.05V → 充電を遮断 過放電保護: <2.5〜3.0V → 放電を遮断 過電流/短絡: 設計による 温度保護 (NTC) を搭載している場合もある 警告: 絶対に保護基板をバイパスして直接充電しないでください! 保護のないリチウム電池 = 潜在的な爆発物 ``` --- ## LiFePO₄ (リン酸鉄リチウム) ### LFP が爆発的に普及している理由 ``` 利点: ✓ 極めて安全 (ほとんど発火しない) → 蓄電/家庭用首选 ✓ 超長寿命 (2000〜5000 サイクル vs Li-Ion の 300〜500) ✓ コストが低い (コバルト不使用、コバルトは高価) ✓ コバルトなし = より倫理的 (コバルト鉱山には深刻な人権問題がある) 欠点: ✗ エネルギー密度が低い (三元系リチウムより 20〜30% 低い) ✗ 電圧が低い (3.2V、直列接続数が増える) ✗ 低温性能が悪い (0°C 以下で容量が急激に低下) ✗ 電圧が平坦 (電圧から SOC を推定しにくい) 用途: BYD ブレードバッテリー、Tesla 標準レンジ版、蓄電ステーション、キャンピングカー用バッテリー ``` ### 充電特性 ``` 満充電: 3.65V (4.2V ではない!) 公称: 3.2V 放電終了: 2.5V CC/CV 充電、CV 段階の電圧 = 3.60〜3.65V 満充電後、静置すると電圧は約 3.35V に低下 通常のリチウム電池充電器で LFP を充電すると = 過充電 = 危険! (LFP には専用充電器または調整可能な充電器が必要) ``` --- ## 電池の直列・並列接続 ### 直列接続 (電圧上昇) ``` 18650 セル2本を直列接続: [3.7V 3000mAh] →+ [3.7V 3000mAh] →+ = 7.4V 3000mAh 容量は変わらず、電圧が加算される 均等充電 (BMS) が必要 2本の電池は以下を満たす必要がある: - 同一モデル・同一ロット (容量マッチング) - 同一電圧 (組立前に同じ電圧まで充電) - 同一内部抵抗 (劣化度の一致) ``` ### 並列接続 (容量増加) ``` 18650 セル2本を並列接続: [3.7V 3000mAh] ─┬─ = 3.7V 6000mAh [3.7V 3000mAh] ─┘ 電圧は変わらず、容量が加算される 均等充電は不要 (自己平衡) ただし接続前に電圧を一致させる必要がある! (電圧差 >0.1V → 大電流) ``` ### 安全警告 ``` ❌ 異なるブランド/新旧/モデルの電池の混用 (過充電・過放電を引き起こし、最悪の場合発火する) ❌ 通常の18650 のハンダ付け (高温で電池を損傷) ✅ スポットウェルダー (点焊机) でニッケルシートを溶接 ❌ 保護基板なしでの運用 ✅ 各直列パックには BMS が必須 ❌ 機械的圧迫/刺穿 ✅ ハードケースまたはブラケットで固定 火災時の対応: リチウム電池の火災 → D 類消火器 または 大量の水で冷却 (電池は自身の酸化剤を持つため、CO2 消火器は効果なし!) ``` --- ## 一般的な電池仕様 ### 円筒形電池 ``` 14500: 14mm × 50mm (AA サイズ、Li-Ion 3.7V) 18650: 18mm × 65mm (最も一般的、ノートPC/モバイルバッテリー/Tesla) 21700: 21mm × 70mm (大容量、Tesla の新標準) 26650: 26mm × 65mm (大電流対応) 18650 の容量: 典型値 2000〜3500mAh 保護基板付き vs 無保護 (フラットトップ) 高出力型 (高放電) vs 大容量型 ``` ### ソフトパック電池 ``` Li-Po の一般的な形態: 角型ソフトパック 薄型 (1〜10mm)、任意の形状 エネルギー密度が最高 膨張 = 交換時期 (ガス発生、危険) 一般的な容量表示: mAh (スマートフォン) または Wh (ノートPC) Wh = V × Ah 例: 60Wh ノートPCバッテリー ≈ 60/11.1 = 5400mAh (3S) ``` ### 型番の意味 ``` 18650-30Q: Samsung 3000mAh 15A 18650-VTC6: Sony/Murata 3000mAh 30A (高出力) 18650-GA: Sanyo/Panasonic 3500mAh 10A (大容量型) 21700-50E: Samsung 5000mAh 10A ブランド推奨: Samsung, Sony/Murata, Panasonic/Sanyo, LG 中国製: EVE, BAK, Lishen (品質向上中) 絶対に避けるべき: Ultrafire および各種 "fire" 入り無名ブランド (容量表示が10倍以上虚偽) ``` --- *キーワード: Li-Ion, Li-Po, LiFePO4, LFP, CC/CV, BMS, 18650, 21700, バランシング, スポット溶接*