すべてのリチウム電池は充電可能ですか?

すべてのリチウム電池は充電可能ですか?

すべてのリチウム電池が充電可能なわけではありません。実際には、リチウム一次電池（使い捨て）とリチウムイオン充電式電池の 2 つの主要なカテゴリがあります。-ここでの混乱は非常に一般的です。なぜなら、今日のほとんどの人は主に携帯電話やノートパソコンの充電式リチウムイオン電池を使用しているからです。しかし、リチウム一次電池は、煙感知器、医療機器、および長期間にわたって安定した電力出力が必要だが再充電する必要がない特定の産業用途などの機器で今でも広く使用されています。

リチウム一次電池は 1 回限りの使用を想定して設計されており、再充電することは実際には危険です。{0}これらの電池は負極としてリチウム金属を使用しており、化学反応が完了すると、それだけで電池は完成します。-一方、リチウム-イオン電池（充電式電池）はリチウム化合物を使用しており、品質と使用方法に応じて数百回、さらには数千回の充電サイクルを繰り返すことができます。

電池産業は大幅に成長しており、ブルームバーグの市場調査によると、リチウムイオン電池市場だけでも 2022 年には約 442 億ドルに達し、2030 年までに 1,167 億ドルに達すると予測されています。その成長は主に電気自動車、家庭用電化製品、グリッド ストレージ ソリューションによって推進されています。{0}一方、業界の報告書によると、リチウム一次電池は依然として特殊電池市場の約23％を占めている。

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ビジネスにとってそれが重要な理由

調達、製品開発、またはバッテリーに依存する機器の管理に携わっている場合、充電式リチウム電池と非充電式リチウム電池の違いを理解することは、{0}}単に学問的な意味だけではなく、{1}}実際のコストと運用に影響を及ぼします。

コストに関する考慮事項

リチウム-イオン充電式電池は初期費用が高くなりますが（一次電池の 3-5 倍の場合もあります）、化学的性質や使用パターンによっては 500-2000+ 回充電できます。毎日使用される高消費電力のデバイスの場合、通常、計算上、充電式が有利になります。-しかし、次の使用までに数か月または数年も放置される低消費電力のデバイスの場合は、一次電池のほうが有効期限が長いため、多くの場合、一次電池のほうが合理的です (多くの充電式電池が保管されている場合は 2 ～ 3 年であるのに対し、10 ～ 20 年)。

業務効率化

製造現場や医療現場では、間違ったタイプのバッテリーを使用すると、予期しないダウンタイムが発生する可能性があります。施設がコストを節約しようと考えてすべての緊急用機器を充電式電池に切り替えたものの、長期間充電せずに放置した電池は一次電池の寿命よりも早く劣化することが判明したという事例を私たちは目にしてきました。逆に、使用頻度の高いデバイスの一次電池を毎月交換していた企業は、充電式ソリューションで節約できたはずの予算を使い果たしていました。-

安全プロトコル

ここからが事態は深刻になります。リチウム一次電池は決して充電しないでください。-リチウム一次電池は充電用に設計されていないため、過熱、液漏れ、最悪の場合発火する可能性があります。どのバッテリーがどのバッテリーであるかをスタッフに知らせてください。施設では、両方のタイプを使用する色分けまたは明確なラベル システムを推奨します。-

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リチウム電池の化学的性質の種類

あまり深く考えてはいけませんが、さまざまな化学的性質を理解することは、一部のリチウム電池が充電可能であり、他の電池が充電できない理由を説明するのに役立ちます。

リチウム一次電池（充電不可）-

これらは、負極材料としてリチウム金属を使用します。一般的なタイプは次のとおりです。

リチウム-塩化チオニル (Li-SOCl2): エネルギー密度が高く、公共料金メーターやメモリ バックアップなどの長期用途に最適です。-これらの保存寿命は20年を超える場合があり、これは非常に注目に値します。

リチウム-二酸化マンガン（Li-MnO2）: どこにでも見かける CR2032 コイン電池はこのカテゴリに分類されます。 Li-SOCl2よりも容量は低いですが、より安全で消費者向けアプリケーションに適しています。

リチウム-二硫化鉄: Energizer の Ultimate Lithium バッテリーはこの化学反応を使用しています。極端な温度でもアルカリ電池よりも優れた性能を発揮し、寿命が大幅に長くなります。

これらを充電できないのは、化学反応が本質的に一方向であるためです。-リチウム金属は放電中に酸化するため、熱暴走の危険を冒さずにそのプロセスを逆転させる実用的な方法はありません。

リチウム-充電式電池

これらはリチウム化合物（純粋なリチウム金属ではない）を使用しており、充放電中にリチウムイオンがアノードとカソードの間を移動します。主な種類は次のとおりです。

コバルト酸リチウム (LiCoO2): エネルギー密度が高く、スマートフォンやラップトップに使用されます。これらは過熱すると時折ニュースになりますが、最新のバッテリー管理システムにより安全性は大幅に向上しています。

リン酸鉄リチウム (LiFePO4): より安定しており、サイクル寿命 (2000+ サイクル) が長く、電気自動車や電動工具に使用されます。テスラは現在、一部の車両でこれの変形を使用しています。トレードオフは、コバルトベースの電池よりもエネルギー密度が低いことです。-

リチウム ニッケル マンガン コバルト酸化物 (NMC): 多くの EV で使用されるバランスの取れた化学物質。優れたエネルギー密度、適切な寿命、および妥当なコストを提供します。これはおそらく、現在電気自動車で最も一般的な化学反応です。

リチウム ニッケル コバルト アルミニウム酸化物（NCA）: 高性能。テスラの古いモデルや一部のハイエンド アプリケーションで使用されています。{0}}高価ですが、優れたエネルギー密度。

再充電可能は、リチウムイオンが電極間を繰り返し往復できることに由来します。アノード上に形成される固体電解質界面（SEI）層は、この繰り返しサイクルを許容できるほど安定していますが、時間の経過とともに劣化するため、充電式バッテリーは最終的に容量が失われます。

リチウムポリマー電池

技術的には、これらはリチウムイオン電池ですが、液体の代わりにポリマー電解質を使用しています。{0}充電式で、タブレットや一部のスマートフォンなどの薄型デバイスに搭載されています。主な利点はフォームファクタです。-非常に薄く、カスタム形状に作ることができます。欠点は、一般に高価であり、過充電または損傷すると膨張しやすくなる可能性があることです。

よくある誤解

世の中には多くの混乱があり、正直なところ、その一部は必ずしも明確ではないマーケティングに起因しています。よく聞かれるのは次のとおりです。

「リチウム電池はどれも同じです」-絶対に違います。これまで説明してきたように、非常に幅広い化学と用途があります。車のキーフォブのリチウム コイン電池は、電気自動車のリチウム イオン パックとはまったく異なります。{3}}

「リチウム-イオン電池は再充電する前に必ず完全に放電してください。」-これは古いニッケル-カドミウム電池には当てはまりますが、リチウム-イオン電池には実際には良くありません。彼らは部分放電サイクルを好みます。リチウム-イオン電池を 20 ～ 80% の充電状態に保つと、実際に寿命が延びます。

「充電式バッテリーは常に環境に良いものです。」-一般的にはその通りですが、使用パターンによって異なります。デバイスを年に 2 回しか使用しない場合、充電式バッテリーの製造に費やされたエネルギーとリソース（および充電用の電力）では、長持ちする一次電池と比較して環境コストを相殺できない可能性があります。-ライフサイクル分析は複雑になる場合があります。

業界のアプリケーションとトレンド

バッテリー技術に関しては、分野ごとに異なるニーズがあり、すべてに適合する---ソリューションはありません。

医療機器

ペースメーカーと植込み型医療機器は、ほぼ独占的にリチウム一次電池を使用します。理由は簡単です。-人の胸に埋め込まれたバッテリーは簡単には充電できず、絶対的な信頼性が必要です。これらのバッテリーは 5{6}}10 年以上持続します。一部の新しいデバイスでは誘導充電が検討されていますが、まだ主流ではありません。一方、輸液ポンプや携帯用酸素濃縮器などの携帯用医療機器は、コスト削減のために充電式リチウムイオン電池の採用に移行しています。

産業用およびIoTセンサー

産業用電池コンソーシアムの 2023 年のレポートによると、リモート センサーの約 67% は依然として一次リチウム電池を使用しています。これらは、パイプライン モニター、環境センサー、構造健全性モニタリング システムなど、--手の届きにくい場所-にあるデバイスです。バッテリーを交換または充電するためにこれらのデバイスに定期的にアクセスする必要があるため、多くの場合、長寿命の一次電池が唯一の実用的な選択肢になります。-

家電

これは現在、ほぼ完全にリチウムイオン充電可能な領域です。-スマートフォン、ノートパソコン、タブレット、ワイヤレス ヘッドフォン、電動歯ブラシ-これらはすべて充電式リチウムイオン電池を使用しています-。その変化は劇的でした。 2005 年当時、ほとんどのポータブル電子機器はアルカリ電池またはニッケル水素電池を使用していました。現在では、充電式バッテリーが内蔵されていない現代の消費者向けデバイスを見つけることはほとんどありません。-

電気自動車

ここで本当に巨額の資金とイノベーションが起こっています。 EV バッテリーは本質的に、リチウム イオン セルの巨大な配列です（通常、テスラ車では 18650 または新しい 2170 形式のセル、または他の多くの EV では角柱セル）。一般的な EV バッテリー パックには、5,000 ～ 7,000 個のセルが含まれています。バッテリー管理システムは非常に洗練されており、すべてのセルまたはセルのグループの温度、電圧、電流を監視して、パフォーマンスと安全性を最大限に高めます。

ここで興味深い展開があります。-一部の市場ではバッテリー交換が復活しつつあります。中国の Nio などの企業は、消耗したバッテリーを約 5 分で完全に充電されたバッテリーと交換できるバッテリー交換ステーションのネットワークを構築しています。これにより、EVに関する主な不満の1つ（長い充電時間）が解決されますが、多額のインフラ投資が必要になります。

航空宇宙および防衛

用途に応じて両方のタイプを組み合わせます。緊急ビーコンおよび特定の軍事装備品は、信頼性と保存期間を確保するために一次電池を使用しています。しかし、重量と繰り返しの使用により、より高い初期コストが正当化される充電式システムの採用が増えています。

エネルギー貯蔵システム

再生可能エネルギーの導入が増加するにつれて、グリッド規模のバッテリー ストレージが爆発的に増加しています。{0}これらは、過剰な太陽光や風力を蓄え、必要に応じて放出する大規模なリチウム-イオン電池設備（安全性と寿命のためにLFP化学を使用する場合もあります）です。カリフォルニア州だけでも、2024 年の時点で 5,000 MW を超える蓄電池容量が設置されています。これらのシステムは毎日サイクルすることができ、10 ～ 15 年間持続する必要があるため、化学反応と蓄電池の管理が重要です。

安全上の考慮事項と規制

特にデバイスや EV のリチウムイオン電池に関する-いくつかの注目を集めた事件{1}}を受けて、電池の安全性が大きな焦点となっています。

配送と輸送

一次リチウム電池と充電式リチウム電池はどちらも、出荷に関して厳しい規制を受けています。これらは、IATA (国際航空運送協会) および DOT (運輸省) によって危険物として分類されています。リチウム電池を搭載した製品を発送する場合は、適切なラベル、梱包、書類が必要です。機器に組み込まれているバッテリーと、単独で出荷されるバッテリーでは、規則が若干異なります。これを間違えると、多額の罰金や配送遅延が発生する可能性があります。

ストレージ要件

リチウム電池は適度な温度（通常は 15-25 度が理想的）で、部分充電（リチウムイオンの場合は 40-60%）で保管する必要があります。-。高温では劣化が促進され、リチウムイオン電池をフル充電で長期間保管すると寿命が短くなります。在庫を抱えている企業にとって、これは重要です。保管条件が悪いと、バッテリーを販売したり使用する前に劣化してしまう可能性があります。

廃棄とリサイクル

これはますます重要になってきています。リチウム-イオン電池には、回収可能な貴重な物質（リチウム、コバルト、ニッケル）が含まれています。現在、多くの管轄区域では、リチウム電池を通常のゴミとして捨てるのではなく、適切にリサイクルすることが求められています。 Redwood Materials (Tesla の元 CTO が設立) のような企業は、大規模なバッテリー リサイクル施設を建設しています。-現在、リチウム-イオン電池のリサイクル率は世界的にわずか約 5% ですが、規制が強化されリサイクルの経済性が向上するにつれて、リサイクル率は大幅に上昇すると予想されています。

一次リチウム電池の場合、リサイクルはあまり一般的ではありませんが、環境上の理由から依然として重要です。多くの自治体ではバッテリー回収プログラムを実施しています。

熱暴走のリスク

これが一番怖いんです。リチウム-イオン バッテリーが損傷したり、過充電になったり、内部で回路が短絡したりすると、熱暴走-に陥る可能性があります。熱暴走は連鎖反応であり、バッテリーが発熱し、発火や爆発に至る可能性があります。最新のバッテリーには複数の安全機能 (電流制限装置、温度ヒューズ、圧力ベント) が備わっていますが、それでもリスクはあります。リチウム電池に穴を開けたり、潰したりしないようにという警告が表示されるのはこのためです。

一次リチウム電池には熱暴走のリスクはまったくありませんが、誤って使用すると依然として危険です。充電しようとすることは特に危険です。

コスト分析とROI

数字について話しましょう。それは通常、意思決定者が最も気にするものだからです。-

一般的なリチウム一次電池（CR123A など）の価格は、品質や購入場所によって異なりますが、約 2 ドルです-。容量も1,500mAhくらいあるのでちょうどいいです。充電式リチウムイオン RCR123A の価格は 8 ～ 15 ドルですが、500+ 回充電でき、容量も同様です。このバッテリーを月に 1 回消耗するデバイスで使用している場合、充電式バッテリーは 3 ～ 4 か月で元が取れます。

しかし、使用パターンが異なる場合、その計算は変わります。 5+ 年間電池を使用する煙感知器の場合、リチウム一次電池の方が合理的です。充電式バッテリーは、自己放電やカレンダーの経年変化によって劣化するため、端末を使用していない場合でも定期的に充電する必要があります。-

産業用アプリケーションの場合、数値は大きくなりますが、ロジックは似ています。私たちは、ハンドヘルド スキャナー用の一次電池に年間約 40,000 ドルを費やしている倉庫と協力しました。彼らは、充電式リチウム- バッテリーを搭載した機器に切り替えましたが（新しい機器には約 80,000 ドルの初期費用がかかります）、バッテリーのコストは事実上ゼロになりました（充電用の電気のみ）。投資回収期間は 2 年未満で、数千個のバッテリーの注文と管理​​に伴う物流上の煩わしさもなくなりました。

一方、私たちが相談したある電力会社は、遠隔検針器には一次リチウム電池を使い続けることを決定しました。デバイスは、おそらく 5 ～ 10 年に 1 回メンテナンスのためにアクセスされる場所にありました。充電式バッテリーを交換するために定期的にアクセスしたり、何らかの充電ソリューション (ソーラーパネルなど) を実装したりするコストと物流は、経済的に合理的ではありませんでした。寿命が 15 ～ 20 年の一次電池が断然勝者でした。

今後の展開

バッテリー技術は急速に進化しており、開発によっては充電式と非充電式の境界線がさらに曖昧になる可能性があります。{0}

全固体電池-

これらは、リチウムイオン電池の液体電解質を固体電解質に置き換えます。{0}}潜在的な利点には、エネルギー密度の向上、安全性の向上 (火災の危険性の減少)、および潜在的な長寿命が含まれます。トヨタやサムスンなどがこの技術に多額の投資を行っている。商用製品は今後 2 ～ 5 年以内に登場すると予想されていますが、ここしばらくは「もうすぐそこまで来ている」そうです。

リチウム-硫黄電池

現在のリチウムイオン電池よりもはるかに高いエネルギー密度を提供できる可能性があります。{0}}まだ研究段階ですが、将来性が示されています。

ナトリウム-イオン電池

これらはリチウムイオン電池よりも安価で、より豊富な材料を使用している可能性があります。{0}}中国の CATL (Contemporary Amperex Technology Co.) はすでにナトリウムイオン電池の商業生産を開始しています。{3}高性能アプリケーションではリチウムイオンに代わるものではありませんが、定置式ストレージやローエンド EV では競争力を持つ可能性があります。{6}

充電式リチウム一次電池

一部の研究グループは、従来は充電不可能であったリチウム化学物質を充電可能にすることに取り組んでいます。{0}まだ初期段階ですが、研究室ではいくつかの有望な結果が得られています。成功すれば、一次電池の高いエネルギー密度と保存寿命と、リチウム-イオンの充電可能性を組み合わせることができる可能性があります。

バッテリー管理システム

バッテリー管理システムもさらにスマートになり、AI と機械学習を使用して充電パターンを最適化し、バッテリーの状態を予測します。これにより、バッテリー寿命が延長され、安全性が向上します。

アプリケーションに適した選択をする

最初の質問に戻りますが、-すべてのリチウム電池は充電可能ですか?いいえ。しかし、特定の用途には充電式リチウム電池または一次リチウム電池を使用する必要がありますか?それはいくつかの要因によって決まります。

使用頻度：高頻度で使用する場合は、充電式バッテリーが有利です。-低頻度の使用では、多くの場合、一次電池が有利になります。-

アクセシビリティ:端末が手の届きにくい場所にある場合は、寿命の長い一次電池を使用するのが合理的です。{0}{1}簡単に入手できる場合は、通常、充電式バッテリーの方が経済的です。

保存期間の要件:ここでは一次リチウム電池が勝ち、一部のタイプは保存期間で 20+ 年持続します。充電式電池は使用していなくても劣化します。

環境目標:無駄を最小限に抑えることが優先事項であり、使用パターンがそれに対応している場合は、一般に充電式バッテリーの方が優れています。ただし、製造と廃棄を含むライフサイクル全体を考慮してください。

予算：当初予算では一次電池が優先されます。 -通常、長期予算では、使用頻度の高いシナリオでは充電式が優先されます。-

安全性および規制要因:特定の業界や場所に応じて、輸送、保管、廃棄の要件を考慮してください。

温度要件:一部の一次リチウム電池は、ほとんどの充電式リチウムイオン電池よりも極端な温度でよりよく機能します。{0}}

ワンサイズではすべてに適合するわけではありません。これまで使用してきたものをデフォルトのままにしたり、最初に最も安価なオプションを選択したりするのではなく、バッテリーの使用状況を適切に分析することで、企業が大幅なコストを節約しているのを私たちは見てきました。

バッテリー戦略を最適化するためにサポートが必要ですか?特定のユースケースを分析し、コスト削減の機会を特定するには、エネルギー貯蔵コンサルタントに問い合わせてください。{0}}資格のある組織には無料の初期評価が行われます。相談のスケジュールを立てる

結論

充電式リチウム電池と非充電式リチウム電池の違いを理解することは、単なる技術的な知識ではありません。-収益、業務効率、環境への影響に影響を与える、情報に基づいた意思決定を行うことが重要です。バッテリー技術が進化し続け、バッテリーの廃棄とリサイクルに関する規制が厳しくなるにつれて、常に最新の情報を入手することがますます重要になっています。

新製品設計用にバッテリーを指定する場合でも、大規模施設の調達を管理する場合でも、単にビジネスのために賢い選択をしようとしている場合でも、充電式リチウム電池と一次リチウム電池をいつ使用するかを知ることで、より良い結果につながる可能性があります。そして、バッテリー業界は現在のように急速に動いているため、新しいオプションが利用可能になり経済性が変化するにつれて、これらの決定を定期的に再検討する価値があります。