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電池、バッテリーと聞いたときに、何を想像されますか?
ボタン電池、自動車やバイクのバッテリー、単三、単四と生活に身近なアルカリ乾電池、家庭用蓄電池など、様々なバッテリー、電池が挙げられると思いますが、その中でも特に今回お話ししたいのは、リチウムイオンバッテリー、ノートパソコンやタブレット、スマートフォンにおいて最も採用されているバッテリーについてです。

リチウムイオンバッテリーとは、どの様なものなのか

リチウムイオンバッテリーを知る前には、電池の仕組みを知る必要があるので簡単に説明すると、電池は1次電池、2次電池という分類があり、充電をし繰り返し使用できる電池のことを[2次電池]と呼びます。反対に、リモコンに入れるアルカリ乾電池のような使い捨てのものを[1次電池]と呼びます。
充電放電の仕組みとしては、電極に異なる2種類の金属を用い、その2種類の金属を電解液に入れることで、電子の移動が発生し、それにより電流が生じるというのが簡単な仕組みになります。

車やバイクで使用されるバッテリーもこの2次電池で、セルスタートや電装品の使用のために電池の電流を使い、エンジンの駆動による発電により、電池を蓄電するという仕組みになっていますが、一般的には”鉛蓄電池”が昔から使用されており、特徴は鉛を使用するため、重量がある、そして使用するのが鉛という比較的手に入りやすい金属なので安価に製造ができるということが言えます。

反対にリチウムイオンバッテリーは、リチウムを使用するため、鉛に比べて価格が高価である事が特徴として挙げられます。リチウムを使用する電極にはコバルト酸リチウムや、マンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウムなどに加えニッケル系リチウムがあります。それぞれにメリットがありますが、レアメタルを多く使用するバッテリーになればなるほど量産が難しく高価になるため、スマートフォンなどにはニッケル系リチウムが使われていることが多いようです。メリットとしてはとても軽量に作ることができるということが挙げられるため、スマートフォンやノートパソコンなどの持ち運ぶもののバッテリーとしてはとても適していると言えます。

なぜバッテリーは膨張するのか

バッテリーの二つの電極には正極[+極]負極[-極]という極性がありますが、この二極の間をリチウムイオンが移動することで、電流が発生し、逆の移動により充電が可能となります。
電子や陰イオン、陽子、といった言葉を思い出す必要がありますが、そもそも電池の仕組みとして正極と負極、二つの異なる金属があったときに、その金属間をを移動する陰イオンが何か、で名称がついているということになります。要は、金属管の移動を【リチウムイオン】が移動する仕組みで成り立っているバッテリーたちが、【リチウムイオンバッテリー】といえばおおよそ理解しやすいと思います。

リチウムイオンバッテリーの正極には、ニッケル酸リチウムなどが用いられ、負極には黒鉛[グラファイト]や、炭素[カーボン]などの素材が用いられます。負極の金属がリチウムイオンを放出すると、電解質を通り正極の金属と結びつこうとします。その時にリチウムイオンの移動に合わせて、負極から正極に電子が移動します。この電子の移動により、電流が生まれます。負極の金属が放出するリチウムイオンが全て正極の金属と結びついた状態が、放電状態、いわゆる[充電が無くなった]という状態です。充電の際は、逆に正極の金属と結びついたリチウムイオンが、負極の金属に結びつく流れです。

電子の移動によりバッテリーが充電放電を行うことは理解できたと思うので膨張についての説明を行います。

【 過放電 】
一つのバッテリーがあり、その正極に100個のリチウムイオンがあるとします。放電中は、1つ、1つと負極の金属に結びついていき、正極の金属にリチウムイオンが無くなった時に完全放電状態となります。
この状態が長く続くと負極側の金属が電解質に溶け出してしまい、電解質との[酸化反応]が発生してしまいます。
【 過充電 】
反対に、充電が満タンになり、正極側の金属にリチウムイオンが100個戻ってきた状態のまま充電を続けると、100個以上のリチウムイオンが発生してしまいその増えすぎたリチウムイオンが劣化をはやめてしまいます。劣化により”酸素”が発生し、電解液の”酸化”が起きてしまいガスが発生します。

これらの【過放電】【過充電】どちらもきっかけは異なりますが共通して発生するガスが電解質内から外に出ようとしますが、リチウムイオンバッテリーはラミネート式という密閉された性質を持っているため、外に出ることができません。それがあの【膨張したバッテリー】なのです。

結論から言うと、先の説明で言えば、バッテリーの正極の金属にも 50個ほどのリチウムイオン、負極の金属にも50個ほどのリチウムイオン と言う状態が一番ガスの発生しにくい状態といえます。

しかしながら、生活の中で常に電子機器の充電を半分ほどにし、増やすことも減らすこともできないと言うことはあり得ません。そのような条件の中でなるべくバッテリーの膨張を防ぐには、【過放電】【過充電】を避けることが大切といえます。

次回は過充電や過放電について詳しく調べてみたいと思います。

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