特集 Li イオン / en 引 00P / コイン厄 T 電池入門 マンガン乾電池 アルカリ・マンガン乾電池 酸化銀電池 空気亜鉛電池 ニ酸化マンガン・リチウム電池 フッ化黒鉛リチウム電池 空気湿電池 固体電解質電池 注液式電池 熱電池 ニッケル・カドミウム蓄電池 ( ニカド電池 ) ニッケル水素蓄電池 ニッケル亜鉛蓄電池 空気亜鉛蓄電池 鉛蓄電池 小型シール鉛蓄電池 リチウム 2 次電池 リチウム・イオン蓄電池 リチウム・ポリマ蓄電池 ナトリウム・イオウ電池 レドックス・フロー電池 亜鉛・臭素電池 亜鉛・塩素電池 リン酸型燃料電池 溶融炭酸塩型燃料電池 固体電解質型燃料電池 固体高分子型燃料電池 シリコン太陽電池 化合物太陽電池 ( Ⅱ -M, II-V 族 ) 熱起電力電池 原子力電池 ルクランシェ電池 アルカリ電池 1 次電池 プロローグ 1 2 3 4 5 6 7 アルカリ乾電池 アルカリボタン電池 有機電解液電池 ( 大容量 ) 空気電池 リザープ電池 溶融塩電池 アルカリ蓄電池 2 次電池 ( 蓄電池 ) 化学電池 プランテ電池 ( 鉛酸系 ) 有機電解液電池 電池 (EV, 電力貯蔵用 ) 燃料電池 ( 発電機 ) 太陽電池 物理電池 図 1 スタンドアロン電源「電池」のいろいろ 赤字は民生用 . それぞれが特徴を生かしてアプリケーションごとにすみ分けされている 度の電池と盛大な歓迎を受けました . この電池は従来 機器業界にとってまさに衝撃でした . 市場が席巻され のニカド電池と同じ 12V ですが , 容量が 1.5 ~ 2 倍大 る脅威にほかの電池が対抗するには , 高容量化しか手 きく , クリーンなため , 大きく期待されました . 課題 がありませんでした . 精力的に取り組んだ結果 , ほか の電池でエネルギ密度が向上しました . そして , 改良 は合金の負極材が重いことでした . が重ねられ , 今やオール・パーパス型の様相を呈して そのわずか 1 年後にリチウム・イオン蓄電池が上市 されました . 電圧が 3.6V とニッケル水素蓄電池の 3 います . 、材料が軽量なことから、一一一一エネ - ルギ密度 - ・ - ・・ - ーーーー - ー - 一一一。ーーーー - ・・一電池で最も重要視される特性 .. は委 . ネ - ル - ギ密度とー出力 ロ です . 今はまだこの二つを同時に満足する電池はあり は一気にはね上がりました . この結果 , 2 次電池の領 域が 1 次電池の領域を侵食しました . ませんが , 日本とアメリカで研究が進められている中 で , この電池は可能性を見せ始めています . リチウム・イオン蓄電池の出現は , 電池業界と電子 ンシスタ技術 2016 年 10 月号 41

電 6.0 5.5 5 > 4.5 同し 3V の電池だが , 4 マンガン乾電池は内 出 部抵抗が高く , 電池 細 3.5 電圧が低下して電流 が取れなくなる 3 単 3 型マンガン アルカリ 2.5 乾電池 マンガン 乾電池 乾電池 400 200 300 2.0 出力電流 CmA] 50 1 00 1 50 放電時間 [ 分 ] 図 8 ローエンド US B モバイル・バッテリの内蔵電池のいろいろ マンガン乾電池は消費 と放電特性 につれて内部抵抗が上 アルカリ乾電池はマンガン アルカリ乾電池は 275 mA, マンガン乾電池は 220 mA まで 5 V 出力維 昇し , 電池電圧低下が 乾電池より内部抵抗が低い 激しく . あっという間 ので , より長くエネルギを 持できる に使用不可になる 供給できる リ乾電池とマンガン乾電池を使用して出力電流と出力 図 9 ローエンド USB モバイル・バッテリの稼働時間 アルカリ乾電池だと約 45 分の間 5 V 出力を維持できる 電圧を測定した結果を示します . 最大電流供給能力は それぞれ次の通りです . ん . 内部抵抗の低いニッケル水素蓄電池だと大電流に ・アルカリ乾電池 : 275 mA より発煙や焼損事故につながる危険があります . ショ ・マンガン乾電池 : 220 mA ートによる危険性を考慮し , 自己責任で使用する必要 あくまで新品の電池を使用した場合の結果です . 使 があります . ニッケル水素蓄電池による稼働時間 い続けて放電が進むと , すぐにこの電流が供給できな くなります . 公称容量 1900mAh のニッケル水素蓄電池を使って 稼働時間 稼働時間の実験を行いました . 200mA の定電流負荷 乾電池の内部抵抗は一定ではなく , 放電が進むほど をかけたときの電圧の変化を図 9 に示します . 5 V を 増加します . 電力供給能力は時間とともに低下します . 維持できた時間は約 128 分で , アルカリ乾電池の 2.8 図 9 にアルカリ乾電池とマンガン乾電池を使用して 倍になりました . 200mA の定電流負荷をかけたときの出力電圧の変化 その後 , 出力電圧は 5V 以下に低下し , 完全放電ま を示します . 電池電圧の低下により約 45 分で 5 V を維 で約 180 分かかりました . アルカリ乾電池と比較する 持できなくなります . その後は出力電圧が下がってい と , はるかに使用効率のよい結果となりました . き , 約 140 分で完全放電に至りました . アルカリ乾電池では , 電池は残っているのに , 最後 本器を 5 V 電源として使うには , アルカリ乾電池よ りもニッケル水素蓄電池のほうがはるかに適している の 95 分間は出力電圧を維持できなくなります . 5 V 電 と言えます . 200mA 負荷で 2 時間程度しか使用でき 源としては短時間しか使用できません . マンガン乾電池は , アルカリ乾電池よりも内部抵抗 ませんが , 非常に安価で , 乾電池の交換により継続し が高いため , 200 mA 負荷だとわずか 2 分間しか 5 V て使用できるメリットがあります . を維持できませんでした . 数 mA の小電流で長時間使 0 スタンダード USB モバイル・バッテリ 用する機器に向いており , 数百 mA 流す用途には向い (3000 mAh リチウム・ボリマ蓄電池使用 ) ていません . ニッケル水素蓄電池は使用禁止・・・ ? 出力電圧 5 V, 最大供給電流は 1 A で , USB 3.0 の定格 電流を上回る能力があります . 出力電力は MEIA 注 1 enelo 叩などのニッケル水素蓄電池は , アルカリ乾 電池より内部抵抗が低く , 昇圧コンバータのように大 規定で 2150 mAh と表記されています . 規定による充 電流を必要とする用途には最適です . 電容量の算出式は次の通りです . かし一説明書によるとニッケル水素蓄電池は使 注 1 : MEIA (Mobile ー Phone Emergency ー Chager lndustry, 携 禁止です . ショートさせてしまったときの過電流保護 帯電話緊急充電器工業会 ) は , USB 充電器の標準規格の策定や , 回路が付いていないためと考えられます . 乾電池では 製品の認証を行う団体 . USB モバイル・バッテリを製造してい 内部抵抗によりある程度制限された電流しか流れませ る 17 社が加盟している . ンタ技術 2016 年 10 月号 ニッケル水素蓄電池は内部抵拡がさらに低く . 電池電圧の低下が小さい , 損失も少ないので 長い間エネルギを供給できる 負荷電流 : 200mA プロローグ 1 2 3 4 5 6 7 6.0 単 3 型アルカリ 乾電池 ニッケル 水素蓄電池 5.0 冖 > 〕出細 CC 田 4.0 3.0 500 1 00 200 107

特集 Li イオン / en 可 00P / コイン厄 T 電池入門 プロローグ 1 2 3 4 5 6 7 写真 2 クリーンで高容量 / ニッケル水素蓄電池 電池電圧は 1 .2V でニカド蓄電池の 1 .5 ~ 2 倍程度の容量を持つ プラグイン・ハイプリッド電気自動車 電圧が 12V と低く , 100k 重いが , 高容量かっ 安全なので使用数が 少ない場合は有益 写真 3 とにかく小さい / コイン型電池 高エネルギ密度 , 保存性 , 信頼性を確保しつつ , 薄く広くすることで電 流性能も確保 バッテリ電気自動車 &><Xs7Ch-90kW 1 、 / ' ハイプリッド電気自動車 電動工 / コードレス・ ′クリーナ 通信基地局 リチウム・イオン蓄電池 カムコーダ ノート PC 1 00 電動アシスト 自転車 冖 M 〕 CC 細鬆洪 ニッケル水素蓄電池 ポータブル DVD プレーヤ ほぼすべての用途を カバーできる ディジタル・カメラ PDA シェーバ セルラ アルカリ乾電池 1 00 電池容量 CAh] 図 2 リチウム・イオン蓄電池 , ニッケル水素蓄電池 , アルカリ乾電池のアプリケーション領域 高いエネルギ密度と大出力特性を持つリチウム・イオン蓄電池はほばどの用途でも使える います . 一方でソーラ腕時計の主電源にも採用されて 次と 2 次電池 ( 蓄電池 ) です . リチウム電池の高エネル ギ密度と保存性 , 信頼性を生かしつつ , 電池を薄く , います . 広くすることで電流性能も向上させています . 1 次電 性能を表す五つのキーワード 池は安価で , コンビニやスーパでも販売されています . 2 次電池は機器に組み込まれて出荷されます . 電池を選ぶ上で知っておくべき基本的な特性を説明 1 次電池は , 入手が容易で , 取り扱いやすさと安全 します . 図 3 ( p. 44 ) にイメージを示します . 性に優れる点から , キー・レス・エントリや体温計な 一、ます . ①電池電圧 2 次電池には , 1.5V , 2V, 3V の電圧をもつ数種類 の電池があり , オーディオ・ビデオ機器や炊飯器から 次の式で表されます . FA 機器まで , メモリ・バックアップに広く使われて ンシスタ技術 2016 年 10 月号

定用プロープを使用しました . が低下します . 保護回路の影響により , ニッケル水素蓄電池よりも 寿命を迎えた充電池でも , 温めると内部抵抗が下が 内部抵抗の値が高いです . 2011 年に使用開始した DB り , 充電器のチェックにひっかからなくなり , 充電で ー 65 ( 1250mAh ) を , 10Q の抵抗を使って 15 分サイク きるようになる可能性もあります . ルで放電 ON 7.5 分 , 放電 OFF 7.5 分を繰り返したと サンプル 3 : リチウム乾電池 ( エナジャイザー ) 単 3 型リチウム乾電池エナジャイザーの測定結果を き結果を図 5 に示します . 内部抵抗は放電中ほば変化 図 6 ( c ) に示します . 温度が上がるにつれ , 内部抵抗 しません . が若干低下します . ・ [ テスト 3 ] 温度変化による内部抵抗の変化 サンプル 4 : リチウム・イオン蓄電池 屋外で使用したときや充電直後など , 高温時の特性 ディジタル・カメラ用のリチウム・イオン蓄電池の を調べるため , 電池の周囲温度を室温から 65 ℃まで 測定結果を図 6 ( d ) に示します . 内部抵抗の大きな変 上げたときの内部抵抗の変化を測定しました . 温度の 化はありませんでした . 上昇時間は 20 ℃ / h です . 新品の単 3 型アルカリ乾電池の測定結果を図 6 ( a ) に 示します . 温度が上昇すると内部抵抗が低下します . サンプル 2 : ニッケル水素蓄電池 ( enel 。叩 ) 単 3 型ニッケル水素蓄電池 enel 。叩の測定結果を図 6 ( b ) に示します . 急速充電器では充電できないくら い使い込んだ電池です . 温度が上昇すると , 内部抵抗 1 00 200 サンプル 1 : アルカリ乾電池 ・考察 ニッケル水素蓄電池や , リチウム・イオン蓄電池の 内部抵抗を測定した結果 , 次のことが分かりました . ・電池温度が上昇すると内部抵抗が低下する ・大きな電流で放電した直後は , 自己発熱で内部抵 抗が低くなる . 充電直後で熱が残っている場合も 500 1 00 80 80 400 内部抵拡 内部抵拡 65 ℃ 65 ℃ 60 60 温度が上がるにつれて 内部抵が低下する 20 . 温度 温度が上がるにつれ ( 20 ℃で昇温 ) ・内部抵抗が低下 0.5 2.0 2.5 時間 ] (a) 単 3 型アルカリ乾電池 20 1 00 ( 20 ℃ / h で昇温 ) 0.5 0 0 0 0 0 3.0 2.5 2.0 時間 [ h ] (b) 単 3 型 eneloop 1 00 1 00 500 200 ほぼ変動なし 内部抵抗 80 80 400 65 ℃ 65 ℃ 60 60 300 亠几 抵 部 内 呎 40 20 : 温度 温度が上がるにつれ ( 20 ℃ / h で昇温 ) 内部抵拡が若干低下する 2.0 2.5 時間 [ h ] (c) 単 3 型エナジャイザー 図 6 電池の温度と内部抵抗の変化 屋外など高温環境で使用するとリチウム・イオン蓄電池以外は内部抵抗が低くなる 20 温度 ( 20 ℃ / h で昇温 ) 1 00 0 0 0 0 0.5 0 0.5 0 2.5 2.0 時間 [ h ] (d) リチウム・イオン蓄電池 DB ー 65 100 ンシスタ技術 2016 年 10 月号

特集 Li イオン / en 可 00P / コイン厄 T 電池入門 無負荷時電圧 ー 1 .4V ー 負荷時電圧 プロローグ 1 一 2 一 3 4 5 、 6 7 細 1.2 電池電圧 -. 1.2V ー 内部抵抗 0.5 宀 携帯電話用 ッ蔭リチウム・イ オン蓄電池 ディジタル・カメラ用 リチウム・イオン蓄電池 写真 2 今回測定に使ったディジタル・カメラや携帯電話用のリ チウム・イオン蓄電池 自作の 4 端子プローブを使用すれば特殊な形状の電極でも放電特性や内 部抵抗を測定できる 4.5 --200mQ-- 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 0 2 4 6 放電時間 [ 時間 ] 図 4 リチウム乾電池エナジャイサーの放電電圧と内部抵抗の変化 負荷 , 無負荷切り替え時の電位差が 0.2 V. 内部抵抗が 0.1 Q だと 0.04 V しかドロップしないはずなので電流を取り出すと起電圧が下が る現象が起きていると推測できる ・長期保存が可能 ・低温に強い 写真が趣味の友人は , 「ニッケル水素蓄電池の充電 状態を気にしてフラッシュを使うより , 高価でもこの 電池を使うほうが急な電池切れがないので安心でき る」と述べていました . 放電試験の結果を図 4 に示します . 内部抵抗は放電 中ほば変化しません . 3 Q 負荷で電圧が 12 V だと 0.4A の電流が流れます . このときの内部抵抗が 0.1 Q だと 0.04 V しかドロップしないはずですが , 実際には 約 02 V の電圧差が出ています . 電流を取り出すと起 電圧が下がる現象が起きています . ニッケル水素蓄電池と比較すると , 電池の持ちが良 2.75V で放電停止 く , 電流が流れにくいといえます . 8 0 6 サンプル 3 : リチウム・イオン蓄電池 放電時間 [ 時間 ] ディジタル・カメラと携帯電話で使われている , 写 図 5 ディジタル・カメラ用リチウム・イオン蓄電池 DB ー 65 ( リ 真 2 に示すリチウム・イオン蓄電池の内部抵抗を測定 コー ) の放電電圧と内部抵抗の変化 ニッケル水素蓄電池やリチウム乾電池と異なり , 直線的に電圧が下降し しました . 結果を表 2 に示します . 測定には 4 端子測 ている 表 2 リチウム・イオン蓄電池の内部抵抗測定結果 個体 容量使用開始 型名 番号 CmAh] [ 年 ] DB-20L 281 180 1 13 開 DB-20L 165 2 138 2 開 1 DB-60 2 開 7 208 11 2011 DB-65 1 1250 144 DB-65 1250 2016 136 2 158 2008 189 BLMI 1 15 開 2008 187 BLMI 2 2009 153 P19 1 137 2010 P19 2 88 124 133 148 2015 ※ DB ー 20L , DB ー 60 , DB65, BLMI はディジタル・カメラ用リチウム・イオン蓄電池 , P19 は携帯電話用リチウム・イオン蓄電池 (a): 充電しても運用時間が短く , もう寿命と判断して 2016 年現在はほとんど使っていない (b): 携帯電話の内蔵電池なので , 取り替えた古いものは使っていない 〇 : 現在使用中 0.7 D B -65 ( リコー ) 電池電圧 無負荷時電圧 ー 3.5V -- 0.5 ー 3.3V - - 冖 > 〕出細や ( 細 負荷時電圧 内部抵キ亢 っ 4 ー 2.5 4 2 内部抵抗 [mQ] 測定年月 2011 / 12 2012 / 6 2012 / 12 2014 / 1 2 開 9 / 5 2010 / 11 使用状況 2016 / 2 2016 / 5 (a) (a) (a) 〇 〇 〇 〇 1 1 亠 11 243 143 131 209 139 163 129 157 139 99 ンシスタ技術 2016 年 10 月号

特集 Li イオン / en 可 00P / コイン厄 T 電池入門 ・ [ 特徴 7 ] 安全かっ使いやすくするためにインテリ ルの短さ , 自己放電の多さが問題でした . enelo 叩はそれらの問題を大幅に改善した新型ニッ 化が進んでいる ケル水素蓄電池です . enelo 叩はリチウム・イオン蓄 リチウム・イオン蓄電池やリチウム・ポリマ蓄電池 電池より安価で使いやすい 2 次電池 , 市販の 1 次電池 は , 充放電回路や残量検出回路などのサポート回路も 含めて , 使いやすさや安全性はさらに改良が進められ の代わりに使える実用的な 2 次電池となっています . 充電用コネクタの破損や水濡れなどの問題があること ています ( 図 5 ). から , さまざまなワイヤレス充電方式も提案されています . ・スマホで出力電圧調整 ! 日 uetooth 電池ボックス これまで電池は単なる電源として位置付けられて ましたが , 最近では電池自体をひとつのインテリ ジェントな IoT デバイスとして働かせようというア をイデアも生まれています . 見た目は その一例として , 2016 年 8 月にべンチャ企業のノ 単 3 型 をバルスが発売した写真 A の『通信する乾電池 乾電池 サイズ を MaBeee 』があります . これは , BIuetooth と出力 ・電圧制御回路を内蔵した , 単 3 型乾電池サイズのケ ・一スです . 単 4 型乾電池を入れて電圧可変の乾電池 して利用できます . 図 B のように単 3 型乾電池で 動作する玩具 , 懐中電灯などを , スマートフォンの , アプリで自由にコントロールできます . これだけでは IoT と呼ぶにはいささか物足りない ・ですが , スマートフォン経由でインターネットに接 を続できれば , さらに自由な遠隔制御が可能になりま をす . センシング機能を追加するなど発展の余地は大 (b) 裏面 (a) 前面 く宮崎仁〉 きいです . 写真 A 無線機能と出力電圧制御回路を内蔵する電池ケース : MaBeee( ノバルス ) loT で電池を制御するというアイディアから生まれた 単 4 型乾電池 を MaBeee ③スマートフォンのアプリ・ ①市販の単 4 型乾電池を ②単 3 型乾電池で駆動する からコントロールする・ 機器にセットする MaBeee にセットする 図 B Mabeee は単 3 型乾電池で駆動する機器なら何でも使える / スマートフォンから出力電圧を制御できる 目いつばい貯めて , ー滴残らず使い切る / 安全かっ長持ち Li イオン / 鉛 / NiMH 蓄電池の充電 & 電源技術 B5 判 168 ページ ( 4C : 16 十 ] C : 152 ) 定価 . 本体 2 , 400 円 + 税 , ( ~ ( ( MB-3002WB MAD IN JAPAN 線旧き 無旧付 単 4 型 乾電池 が入る 国 87 ・ A お 忸 4 第 Bluetooth トランジスタ技術 SPEClALNo. 135 好評発売中 / CQ 出販杠 http://shop ℃ qpub. CO. jp/ 39 ンシスタ技術 2016 年 10 月号

① / 電圧 ⑤エネルギ量 ④ P 出力 ③ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ①レ 0 0 0 0 0 0 0 ② / 電圧 ( 物質移動 ) ② / ー」一コ← ④尸 0 0 (a) 電池容量を貯水槽に例えると・・ ①電圧 / [ Ⅵ = 〃 ( 正極 ) ー p ( 負極 ) 正負極の電位の差 , 例えると貯水槽の水位 , または相対的 にみた水圧の大きさ ②電流 / CA] : 物質移動の大きさ 単位時間に単位断面積を通過する。水の量 ( 粒子の数 ③放電容量 0 [ A 目〕 =iCA] 灯 [h] 一時間に ( 貯水槽から ) 流れ出た。水 ( 粒子の数 ) " の量つまり , 電池容量とは貯水槽内の。総水量 ( 総粒子数 ) " 図 3 電池の性質を表す五つのパラメータ サイズ : 単 3 型相当 - 1 次電池 温度 : 十 20 ℃ 2 次電池 ニ酸化マンガン・リチウム電池 1 .5V リチウム電池 ③ 0 容量 ( 通過した粒子の数 ) (b) 単位次元 ④出力戸 [ W ] = / [ A ] xVCV] 電気の公式 W=IX / の式がシンプルで覚えやすい ⑤エネルギ E [ Wh ] = / [ A ] XVCV]XtCh] 単位次元からも , Wh=Wxh=/X / x ーの式がシンプルで わかりやすいので , この形のほうが適切 5 電池 ・平坦なもの 例 : 酸化銀電池や電動工具に用いられるリン酸鉄 リチウム・イオン蓄電池 これは正極材料の反応形態の違いによるものです . この形状は電池性能とは直接的な関係はありませんが , 電流を取り出しても高電圧を維持できるのが好ましい です . ②電流 小型シール鉛蓄電池 原理上は単位時間に単位面積を通過した「物質移動 1 OO 1000 1 0000 放電電流 [mA] の量」 , すなわち大きさです . ・ 1 次電池は大電流で使用すると取り出せるエネルギ量が大き 電池は化学反応を利用しているので , 電流は反応の く低下するつ低電流用途向き 進みやすさを表しています . ・ 2 次電池 ( 蓄電池 ) は大電流で使用しても取り出せるエネルギ量 の低下は小さいつ材料自身の特性や電極構成 , 電池構造に起因 大きさには , 材料自身の特性が大きく関わります . 大電流化する方法には , 材料のほかに次のようなもの 図 4 代表的な 1 次電池と 2 次電池の電流特性 大電流が必要な用途には , 電流特性に優れている 2 次電池が向く があります . ・電気抵抗を小さくする ・反応面積 ( 電極 ) を大きくする 電池電圧 = 正極の電位負極の電位 ・反応を速やかに完了させるために材料を微粒子化する 正負極の材料が決まれば電池電圧が一義的に決まり ③電池容量 ます . 実際に放電すると , 放電時の電圧変化が , 次の 電流が何時間流れるかの大きさを示します . 物質移 2 種類に分けられます . 動の総量を意味します . ・ S ( 工ス ) 字状になるもの たとえば , 50 mA の電流を 4 時間取り出したときの 例 : アルカリ乾電池や 2 酸化マンガン・リチウム 放電容量は 2 開 mAh です . この電池の公称容量が 1 開 0 トランシスタ技術 2016 年 10 月号 4 電 乾 カ リチウム・ イオン 蓄電池 ニッケル 水素蓄電池 乾電池 1 ニカド蓄電池 ( 高容量型 ) 0 44

表 1 電池各種と主な用途 1 次電池と 2 次電池は特性が異なるのでそれぞれアプリケーションごとにすみ分けている ツ ル ド 乾電池 カ ガ ボタン リチウム シール鉛 空気 コイン 2 次 コイン 1 次 円筒 アルカリ 用途 銀 主電源 メモリ・ バックアップ 基地局システム・ バックアップ 主電源 メモリ・ バックアップ 無停電電源装置 (UPS) コンピュータ・ システム・ バックアップ システム 電動工具 , 電動アシスト自転車 , 電動バイク , 園芸用具 主電源 メモリ・ノヾック 映像音響機器 アップ , クロッ ク機能 非常灯 , 誘導灯 ドローン , ラジコン 玩具 電子ゲーム , おもちゃ 計測器 ( メモリ・バックアップ ) 医療関連 自動車関連 時計 メータ ( 水道 , ガス ) ◎ 携帯電話 ◎ 〇 〇◎ ◎ ノート・パソコン , タブレット 〇 ◎◎〇〇 ◎〇 ◎◎ ◎◎ ◎ 〇 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎◎ ◎ ◎ ◎ 〇 ◎ ◎ 〇 ◎ ◎ ◎ ◎ ◎◎ 〇◎ ◎ 体温 介護 補聴 ◎ ◎置 ◎ ◎◎◎ ディジタル ◎ ◎ カメラ コンパクト 〇 ◎ 〇 小物家電 ( シェーバ , 電動歯プラシ ) ◎ 〇 注 :(1) ◎ : 最適〇 : 適合赤字は 2 次電池 ( 蓄電池 ) ②介護 : 介護機器 , 体温 : 体温計 , 補聴 : 補聴器 , HEV : ハイプリッド電気自動車 , 全 EV : 全電気自動車 , 時 : 置き時計 , キー キー・レス・エントリ , FR : 2 硫化リチウム電池 ②ニッケル水素蓄電池はクリーンで高容量 電解液はアルカリ水溶液です . セパレータは自己放 この電池は , 欧州規制 ( R 。 HS ) で姿を消したかって 電が小さいポリプロピレンの不織布を親水加工してい の蓄電池の王者ニカド蓄電池に代わる , 比較的新しい ます . 充電では正極から H + が外れ , 電解液を介して 2 次電池です ( 写真 2 ). 負極は水酸化カドミウムに代 負極合金の格子の間に H + が吸蔵されます . 放電はそ えて水素吸蔵合金 ( ミッシュメタル : 希土類金属の混合 の逆コースをたどります . 物 ) を用い , 正極は水酸化ニッケルです . ニカド蓄電池と比較すると負極の電位がほば同じな ③コイン型電池は小型に特化 ため , 電圧が 12V で互換性があり , 1.5 ~ 2 倍高容量 この電池は , 100 円硬貨の形状をしているため , コ イン型電池と呼ばれます . ほとんどがリチウム系の 1 です . トランシスタ技術 2016 年 10 月号 42

特集 Li イオン / ene 厄 op / コイン厄 T 電池入門 電圧と同じで , パソコンからも充電できます . 充電器 の出力ポートが USB コネクタの形状となっているタ イプもあります . 今どきのモバイル機器は , USB ポートで充電する のが一般的です . 外出先で電源がない場所でも , これ らの機器に充電ができるよう , 1 次電池や 2 次電池を内 蔵した 5 V 出力の USB ポートを持っ USB モバイル・バ ッテリ ( 写真 1 ) が数多く販売されるようになりました . ・野外実験用スタンドアロン電源として使えるのか USB モバイル・バッテリは , 国内から海外まで多 くのメーカから販売されています . 内蔵電池もさまざ まで , 容量の小さいものから , スマートフォンを 10 回以上満充電にできる大容量の製品もあります . これ を持ち運べる 5V 電源として使用できれば , IoT 機器 にも活用できます . しかし , USB モバイル・バッテリは , モバイル機 器に搭載されたリチウム・イオン蓄電池を充電する目 的で設計されています . 一般的な 5 V 電源とは異なる 動作 , 特性を持っています . 本稿では , USB モバイル・バッテリがどのような 機能を持っているのかを調べ , 5V 電源として使用す るときの性能や問題点を解説します . 実験ターケットに合ったものを選ぼう / USB モバイル・バッテリはピンキリ 0 ピンキリ / 電流供給能力の違い USB モバイル・バッテリのほとんどは出力ポート に 4 ピンの USB コネクタを使用しています . 出力電圧 は約 5V ですが , 出力電流は製品によって異なります . 小型の USB モバイル・バッテリでは 500 mA の電流 供給能力すらない製品もあります . スマートフォン側 で認識せず充電を開始しないときや , 充電に長い時間 がかかるときがあります . 中 ~ 大型の製品には 2. OA 以上の電流供給能力を持 っ製品もあります . 専用の高速充電器と同様の時間で 充電できます . USB モバイル・バッテリを 5 V 電源として使用する 場合は , 使用する周辺回路も含めた最大消費電流 , 特 に瞬間的なピーク電流値が重要です . USB モバイル・ バッテリに十分な電流供給能力があるか確認が必要で す . ■ピンキリ ! 電池容量や出力電力の違い ・リチウム・イオン蓄電池を使用するタイプ ・単 3 型乾電池を使用するタイプ >2 本使用品 : 放電が進むほど効率が悪化する 乾電池 2 本を直列接続すると , 初期電圧は 3V , 放 電終止電圧は 1.8V です . 5V 出力を安定供給するた めには , 昇圧型 DC-DC コンバータが必要です . 昇圧型 DC ー DC コンバータの昇圧比が 1 以上で , 変 換効率が 100 % ではないので , 電池からは出力電流 ( 5V ) の 2 ~ 3 倍以上の電流が流れ出します . 放電が進 み , 電池電圧が低下するほど昇圧型 DC-DC コンバー タへの入力電流は増加します . 乾電池は放電が進むほど内部抵抗が上昇します . 電 流増加による電池電圧の低下がさらに進みます . 昇圧 型 DC ー DC コンバータへの入力電流はさらに増加し , 悪循環に陥ります . 電池からエネルギを取り出す効率 もどんどん低下し , 稼働時間が短くなります . >4 本使用品 乾電池 4 本を直列接続すると , 初期電圧は 6V , 放 電終止電圧は 3.6V です . 5V 出力を安定供給するた めには , 降圧から昇圧まで連続して動作する DC ー DC が必要です . コンノヾータ ・電池電圧 6 V のときは 5 V に降圧させる ・電池電圧 5V のときはそのままスルーで出力 ・電池電圧 5 V 未満のときは 5 V に昇圧させる H プリッジ方式や , 2 インダクタ SEPIC (SingIe Ended primary lnductor Converter) 方式の昇降圧型 DC ー DC コンバータが用いられます . 詳細は後述します . 乾電池 2 本の製品と比較すると , 電圧が 2 倍あるの で電池からの供給電流は約半分で済みます . 電池の内 部抵抗の影響が小さく , 効率よくエネルギを取り出せ ます . 稼働時間は 2 倍以上が期待できます . 昇降圧型 DC ー DC コンバータは , 昇圧型 DC-DC コ ンバータよりも高価で , 変換効率もあまりよくありま せん . 単 3 型乾電池を 4 本使用することによる重量増 加や , 最大電流が 500mA 程度しかないデメリットも あります . 製品の種類も少ないです . ・リチウム・イオン蓄電池を内蔵するタイプ 電力を食うスマートフォンの登場により大容量化 & 急速充電化した スマートフォンが登場する以前の携帯電話は , 電池 容量が 6 開 mAh 程度と小さく , USB2.0 規格の 5 開 mA 4 6 ・バッテリのエネルギ源に一は : ーーー主に一一一一一一一一の電流で充電してもそれほど時間はか 次の 2 種類があります . ・単 3 型乾電池を 2 本もしくは 4 本使用するタイプ を ンタ技術 2016 年 10 月号 携帯電話よりも電力を食うスマートフォンが登場し てからは , リチウム・イオン蓄電池の容量が 1 開 0mAh , 2000 mAh と大容量化されました . そのため , 充電電 103

1 .40 1 .35 300 口を超えると 内部抵抗が 100mQ に近づく 1 .30 1 1 囘目 100@目 200@目 300@目 400@目 1 .25 冖 > 〕出細 1 .20 450 ロ目 500@目 550 ロ目 574 囘目 30 40 時間 [ 分 ] 図 2 サイクル試験により充放電を繰り返したときの放電特性 eneloop(BK3-MCC) に 1 Q の抵抗をつないで放電したときの電圧の変化 . 実用的な充放電回数は 300 回 . それを超えると内部抵抗が 100mC に近づく も継続しています . 108 回近くの充放電でも内部抵 り出すときに起電圧が下がる現象を確認する目的で , 抗は低い値を示していますが , 容量は初期の半分です . 負荷の ON , OFF を繰り返しながら測定しました . この 2 種類はもともと容量の小さな電池です . 大電流 電池の固定には BULGIN 社の電池ホルダを使い , ハンディ・チャート・レコーダ ( 3 ) を使って記録しま 放電で長時間使う用途には向いていません . ほかの 7 種類はいずれも寿命を迎えました . した . 3Q の抵抗を使って 15 分サイクルで放電 ON7.5 図 2 に放電回数ごとの enel 。叩の放電特性を示しま 分 , 放電 OFF7.5 分を , 放電が終わるまで繰り返します . す . 1 Q の抵抗を負荷にして放電したときの電圧の変 サンプル 1 : ニッケル水素蓄電池 enel 。叩 化を測定しました . 回数を重ねるごとに , 放電特性が ニッケル水素蓄電池 ene p (HR-3UTGA 19 開 mAh) 変化し , 寿命の末期には内部抵抗の上昇で放電維持電 の放電中の内部抵抗の変化を測定しました . 結果を図 圧が急激に落ちています . 3 に示します . 充放電回数はまだ数十回なので , 内部 測定はスプリング電極を使った 4 端子測定用プロー 抵抗が低く , 無負荷時と負荷時の電位差も 0. IV 以下 プで行いました . と小さいです . 放電末期でも内部抵抗の変化 20mQ 以 内と少ないです . ・ [ テスト 2 ] 放電している最中の内部抵抗を測定し てみた 写真 1 に示すのは , リチウム乾電池のエナジャイザ こんな試験 ーです . 1 次電池なので充電はできません . 形状は単 放電中の内部抵抗の変化を測定しました . 電流を取 3 型です . 無負荷電圧が 1.8V 程度あり , 複数個を直列 使用するときは機器側の許容電圧を超過しないか考慮 200 が必要です . 新品では 180m ~ 230mQ の内部抵抗が あり , ニッケル水素蓄電池よりも内部抵抗は高いです . 特徴は , 次に示す通りです . 1 .05 末期は内部抵抗が上昇 して放電維持電圧がガ クンと落ちる 1 .00 20 70 1 0 0 50 60 1 00 90 80 サンプル 2 : リチウム乾電池エナジャイザー 電池電圧 無負荷時電圧 内部抵抗 負荷時電圧 O O -4 ・つこ O 0.8V で放電停止 6 8 1 2 放電時間 [ 時間 ] 図 3 ニッケル水素蓄電池 eneloop の放電電圧と内部抵抗の変化 放電末期でも内部抵抗の変化は少ない 0.7 4 2 0 写真 1 単 3 型ハイパワー乾電池のエナジャイサー 無負荷電圧が 1 .8V 程度ある . 1 次電池なので充電はできない ンシスタ技術 2016 年 10 月号 98