バッテリー性能の基本：コアパラメーターとその相互作用

バッテリー容量（mAh）：バッテリー出力の指標

1. 定義と本質

バッテリー容量はミリアンペアアワー（mAh）で表され、これは電流（ミリアンペア、mA）と時間（時間、h）の積です。例えば、1000mAhのバッテリーの場合、以下のようになります。

1000mA（1A）で放電すると1時間持続する。

500mAで放電すると2時間持続する。

基本的に、mAhは電圧を考慮せずにバッテリーが蓄積できる電気量を測定したもので、「バケツの水容量」と似たような概念です。

2. 勘違いされやすい点：mAh値が高い＝長持ちするわけではない

誤解：5000mAhのバッテリーは必ずしも3000mAhのバッテリーより長持ちすると思っていること。

現実：バッテリー寿命はエネルギー（Wh）によって決まり、単なる容量だけでは決まりません。

 

エネルギー密度（Wh/kg）：携帯性を示す主要指標

1. 定義と重要性

エネルギー密度とは、バッテリー1kgあたりに蓄積できるエネルギー量（Wh/kg）を指し、バッテリーの「軽量化能力」を測定するための主要パラメーターです：

体積エネルギー密度（Wh/L）：端末の厚み（スマートフォン用バッテリーなど）に影響を与える；

質量エネルギー密度（Wh/kg）：機器の軽量化（電気自動車の航続距離など）を決定する要素。

2. 異なる技術ルートにおけるエネルギー密度の比較

バッテリータイプ	質量エネルギー密度（Wh/kg）	典型的な用途
鉛蓄電池	50-70	電気自動車用スターター電池
リチウム鉄リン酸塩バッテリー	140-200	エネルギーストレージ発電所、商用車
三元リチウムバッテリー	250-350	電気自動車、ハイエンドスマートフォン
固体リチウムバッテリー	350-500（開発中）	次世代電気自動車およびドローン

3. エネルギー密度の両刃の剣

利点：ニッケル系リチウム電池のエネルギー密度が300Wh/kgに達すると、電気自動車の航続距離は600kmを超えることができる。

課題：エネルギー密度が10％増加するごとに、熱暴走のリスクが15％増加し、より複雑な温度管理システムが必要になる。

 

充放電曲線：バッテリー性能の「心電図」

1. 曲線の背後にある電気化学コード

充電および放電曲線は、電力に応じてバッテリー電圧が変化する法則を反映しており、次のような特徴があります：

充電段階：

定電流充電（電圧が急速に上昇）；

定電圧充電（電流が徐々に減少し、電圧が一定レベルに維持される）。

放電段階：

電圧は最初に急速に低下し、その後安定したプラトー期間に入り、最後に急激にカットオフ電圧まで下がります。

 

2. 主要パラメーター分析

電圧プラトー：放電中に電圧が安定して維持される範囲。プラトーが高くて長いほど、バッテリー性能が優れています。

例：リン酸鉄リチウムバッテリーの放電プラトーは3.2Vであり、三元系リチウムバッテリーのプラトーは3.7Vです。後者はより高いエネルギーを持っています。

分極現象：内部抵抗損失の増加により、大電流放電時に電圧降下が大きくなります（例：10C放電時における電圧降下は1C放電時と比較して0.5V低くなる）。

3. 曲線と使用シナリオの関係

電気自動車の加速：高電流放電（5〜10C）が必要であり、急峻度の低い平坦な曲線（電圧変動が小さい）が求められる；

エネルギー貯蔵によるピーク調整：長時間にわたる小電流放電（0.5C以下）、平台の安定性がより重要である。

 

サイクル寿命：バッテリーの耐久性を示すタイマー

1. 定義と規格

サイクル寿命とは、満充電から完全放電（DOD=100%）し、再度満充電するまでの完全なサイクルを繰り返し、容量が初期値の80%に低下するまでに達成されるサイクル数を指す。

典型的なデータ：

ニッケル水素二次電池：1000サイクル（DOD=100%）；

リン酸鉄リチウム電池：3000サイクル（DOD=100%）；

鉛蓄電池：500サイクル（DOD=80%）；

2. サイクル寿命に影響を与える「4大要因（Four Killers）」

過充電および過放電：4.3Vを超えて充電したり、2.5V以下まで放電すると、電極構造に永久的な損傷を与える。

高温環境：60℃で1か月間保管すると、サイクル寿命が50％短くなる。

大電流での充放電：10Cの急速充電は、0.5Cの急速充電と比較してサイクル回数が30％減少する。

満充電状態での長期保管：リチウム電池を満充電状態で1か月間保管すると、容量が5％減少する。

3. 寿命を延ばすための黄金律

浅い充電と放電：日常使用においてはSOCを20％から80％の間で維持する（例：スマホのバッテリーが20％のときに充電する）。

高温を避ける：電気自動車の充電時に直射日光を避けること。夏期に車内の温度が60℃を超えると、バッテリー寿命が急速に低下する。

定期的な満充電および完全放電：3か月に1回、満充電から完全放電まで行い、BMSの電源表示を較正する。

 

主要パラメーターの「連動効果」

1. エネルギー密度とサイクル寿命のトレードオフ

ニッケル水素電池はエネルギー密度が高く、サイクル寿命が短いため、航続距離の長い電気自動車に適しています。

リン酸鉄リチウム電池はサイクル寿命が長く、エネルギー密度が低いため、充放電が頻繁に行われるエネルギー貯蔵発電所に適しています。

2. 容量と充放電曲線の相互作用

高容量バッテリー（例：5000mAh）は一般的に内部抵抗が大きく、高電流放電時に電圧プラットフォームの降下が顕著です。

同一容量において、より高い電圧プラットフォーム（例：3.7V vs 3.2V）を持つバッテリーは高いエネルギーを持ちますが、それに伴い高い分極損失が生じることもあります。