最近、引き出しの中を見たなら、電子機器に電力を供給するさまざまな形、サイズ、種類の電池があることに気づいたかもしれない。まず、時計や小物用の丸い非充電式ボタン電池がある。また、電卓や時計、リモコン用に人気のある単3形や単4形の円筒形電池もある。そして、ノートパソコンや携帯電話には充電式のリチウムイオン電池が使われている。車の鉛蓄電池もお忘れなく。
私は電池と電気化学を研究している教授だ。なぜ電池にはさまざまな大きさや形があり、さまざまな用途に使われているのかを理解するために、電池がどのように生まれ、どのように発展してきたのかという、“過去”に目を向けて見て欲しい。
最初の電池は1800年代に作られた。最初のデモンストレーションのひとつは、食塩水に浸した一連の金属ディスクで、イタリアの科学者Alessandro Voltaが電流が発生することを発見した。最初の鉛蓄電池は、硫酸の入った瓶に鉛を数個入れたものだった。現代のものとそれほど違いはない。製造がより簡単になり、性能を向上させるためのさまざまな添加物が含まれているだけだ。
2つの異種電極間に電圧差が生じると電流が流れ、その電流を放電することで機器に電力を供給することができる。二次電池は、この電流を逆流させて充電することができる。電池の内部では、電流は電解質という液体を介したイオンの流れを伴っている。
電流中の各電子の通過は、電解質中の1個のイオンの輸送を伴う。より多くのイオンを蓄えることができる電極は、より多くの電荷を保持することができる電池につながり、したがって1回の充電でより長持ちする。より速くイオンを貯蔵できるように設計された電極は、より速く放電できる電池につながり、高出力用途に適している。最後に、劣化することなく何度も充放電できることは、寿命の長いバッテリーにつながるのだ。
鉛蓄電池
鉛蓄電池は、1859 年にGaston Planteによって発明された最初の充電式電池だ。Planteは、酸性溶液中で鉛板を実験し、電流の流れと貯蔵が逆になることを発見した。
鉛蓄電池は、自動車を始動させるのに十分な充電ができる大きさでなければならない。また、寒冷地でも使用でき、何年も長持ちしなければならない。電解液は腐食性の酸であるため、外部ケーシングは人や車の部品をあらゆる害から守るために頑丈でなければならない。こうしたことを考えると、現代の鉛蓄電池がブロック状で重いのも納得がいく。
アルカリ電池
一方、電卓やデジタル体重計のような家庭用機器は、多くの電力を必要としないため、小型の電池を使う余裕がある。これらは主に非充電式のアルカリ乾電池で、何十年も使われている。標準化された電池のサイズは、AAAA、AAA、AA、C、D、そしてボタン電池やコイン電池など多岐にわたる。電池のサイズは、電池が蓄える電力の量（電池が大きければ大きいほど、より多くの充電ができる）と、電源となる機器のサイズに関係している。
一般的な9ボルト電池のように長方形で売られているアルカリ乾電池を見かけることがあるが、外箱を開けてみると、内部にはいくつかの円筒形のセルがつながっているだけだ。円筒形の電池は非常に長い間存在し、広く使われているため、企業にとっては別のものを製造する意味がない。
リチウムイオン電池
ニッケル・カドミウム電池は、家庭用電化製品に広く使われた最初の充電式電池で、20世紀末まで普及した。しかし、これには落とし穴があった。カドミウムは非常に毒性が強く、電池の寿命を縮める「メモリー効果」に悩まされていたのだ。
何十年もの間、リチウムは軽量で多くのエネルギーを蓄える金属というユニークな特性から、二次電池への応用が研究されてきた。Sonyは1991年に初めてリチウムイオン電池を商品化した。
Sonyは円筒形のセルを製造した。それが最も製造しやすかったからだ。1990年代、Sonyはカムコーダーやテープをたくさん作っていたので、ロールtoロールの製造設備がたくさんあった。銅やアルミニウムのシートにフィルムをキャスティングし、「ゼリーロール」と呼ばれる円筒状に丸めて作る電池電極のロール生産に、この設備を再利用するのは自然なことだった。
これらの円筒形電池の厚いケーシングは機械的に強く、さらに安全性を高めるために圧力開放弁が付いている。この初期のリチウムイオン電池は、ニッケル・カドミウム充電池よりも多くのエネルギーを蓄え、長持ちしたため、瞬く間にノートパソコンや携帯電話を中心とする携帯電子機器市場を席巻した。
電池を形作る要因
バッテリーは、コストと製造可能性の理由から特定のサイズと形状で作られているが、他のケースでは、レガシー製造プロセスのためだ。市場の需要も一役買っている。
例えば、電気自動車が普及したのは、Teslaが他の電気自動車メーカーが使ってきた長方形のパウチ型や角型ではなく、円筒形のリチウムイオン電池セルを使った自動車を作り始めてからだ。パウチ型や角型セルは密に詰め込むことができるが、円筒型セルはすでに携帯電子機器用に大量生産されていたため、Teslaは2010年代に低コストのEVを作ることができた。
将来、バッテリーがどのような形や大きさになるかは、どれだけのエネルギーを蓄えられるかだけでなく、市場の経済性、つまりそれぞれのタイプのセルを作るのがどれだけ簡単か、作るのにどれだけのコストがかかるか、そして何に使われるかに左右される。そして、それらの要因は、技術革新と歴史のミックスなのである。
コメント