電源

バッテリー開発の停滞は誰にとっても明らかです。 モバイルデバイスは、せいぜい2日間同じ料金を維持し、これは優れた指標と見なされます。 しかし、ほとんどの場合、スマートフォンとタブレットは夕方までほとんど生き残れません。 過去10年間で、モバイルデバイスの消費電力は何度も増加しましたが、バッテリーはまだ残っています。



これが、非常に経済的なYotaPhoneの両方の世代で電子インクディスプレイを使用する理由の1つになりました。 しかし、電源の問題はスマートフォンやタブレットだけでなく非常に重要です。 多くのデバイスとガジェットは、バッテリーと充電式バッテリーを使用しています。 したがって、ウェアラブル電源の過去、現在、および将来の可能性について興味深い詳細を伝える記事の翻訳を、考察の資料として提供したいと思います。



放電するまでバッテリーを考える人はほとんどいません。 しかし、この功利主義的で予想外の古代の技術は、人間の文明に多大な貢献をしました。 実際、現在の形では、電気エネルギーを保存および放出する完全に独自の能力を備えたバッテリーがなければ、現代世界は存在しません。 バッテリーがなければ、携帯用電子機器、懐中電灯などの小型の電化製品はありません。 固定コンセントにしっかりと「縛られ」ます。 一緒に、この技術の出現の歴史を思い出して、現在の状態を評価し、さらなる発展を予測してみましょう。

歴史的遠足

バグダッドバッテリー

1936年、バグダッド近郊の村の遺跡で、奇妙な何かで覆われたテラコッタの水差しが発見されました。 彼らの年齢はパルティア王国の時代かササニア帝国のどちらかとされています。 投手の任命は不明のままであり、イラク国立博物館に送られました。 2年後、彼らはドイツの考古学者Wilhelm Koenigの目に留まりました。 しばらくして、彼はこれらの水差しが電解槽の先駆けであると示唆した報告書を発表しました。



水差しは高さ14 cmで、内部は小さな銅管（シートから巻かれた）でした。 さびた鉄の棒をアスファルト栓を使用してチューブに挿入しました。 水差しは、酸、アルカリの溶液で満たすことができます：レモン、グレープジュース、または酢。 研究者は、そのようなバッテリーは0.8〜2Vの弱いが安定した電圧を与えたと信じています。また、これらの水差しは宗教儀式または癒しの儀式で使用されたと考えられています。 古代では、電池は一般に治療として使用されていました。なぜなら、それらは不思議な現象であり、生命の神秘でした。 しかし、今日まで、バグダッドのバッテリーの類似物は発見されていないため、それに関する医療版は何によってもサポートされていません。



ガルバニ電池

学校の生物学コースで知っているように、カエルの足は電流の影響下で筋肉の収縮を示すために使用されます。 この現象は、ボローニャ大学の教授であるルイジ・ガルバニによって1771年に発見されました。 伝説によると、彼はカエルから皮膚を取り除き、銅ピンでそれを以前に静電気で実験したテーブルに刺しました。 アシスタントガルバニはテーブルからメスを取り（偶然、前の実験で充電された）、カエルの裸の神経に触れました。 火花が出て、足がけいれんしました、そして、それは電荷がイオンによって運ばれるというガルバニで夜明けしました。



実際、彼は文字通りそう考えていませんでした。 ガルバニは、それ自体が組織で生まれる「動物の電気」は「電気流体」によって伝達されると判断しました。 この誤った見方は、科学では約30年間続きます。 しかし、ガルバニの発見は現代のバッテリーの基礎を築き、「ガルバニ電池」と呼ばれました。







ボルトポール

ガルバニは、生命が終わるまで生物の電気の起源について意見を述べていました。 彼は、彼の大腿筋がそれを作り出すと信じていました。 彼の経験を再現したガルバニの最初の同時代人の一人は、パヴィア大学の実験物理学の教授であるアレッサンドロ・ジュゼッペ・アントニオ・ボルタでした。 ヴォルタは、カエルの足が電気に反応するだけでなく、電気を伝導することにも気付きました。



これを証明するために、教授は、塩水で飽和した布で隔てられた銀と亜鉛のディスクのスタックで構成されるセットアップを組み立てました。 Voltaは、このスタックをできるだけ高くしたかったのです。 そのため、光は世界初の電池である「ボルトポール」として現れました。 「柱」のおかげで、ボルタは潜在的な違いについて彼自身の名前の法則を発見しました。

ボルタポールは、他の科学者による一連の発見、たとえば電解現象を伴いました。 塩酸溶液を含むさまざまな電解質が鋼電解質として使用されました。



Voltaの発明の最も重要な修正は1866年に作成されました。 Georges Leclancheは、二酸化マンガンと炭素の亜鉛陽極と陰極を塩化アンモニウム溶液に入れました。 その結果、1.4 Vの電圧が発生しました（元の「極」により0.4 Vに到達することができました）。 これは、最新のアルカリ電池の電圧に相当します。 Leclancheの発明は最初の電話システムで使用され、ほとんどの機器で使用されている最新の乾電池の基礎を築きました。

種の多様性

すべてのバッテリーは、一次および二次の2つのクラスに分けられます。 ほとんどの一次電池は、亜鉛またはリチウムのアノードを備えたアルカリ性です。 それらは製造が非常に安く、バッテリーがなくなった後に廃棄するように設計されています。



ほとんどの場合、二次電池（蓄電池）は、鉛酸、ニッケル、リチウムイオンの3つのタイプで表されます。 本番環境では、それらは主要なものよりもいくらか高価です。 これらは繰り返し使用できるため、費用を大幅に節約でき、環境を汚染することも少なくなります。



バッテリーは、再利用の可能性だけでなく、使用される要素の種類によっても分類されます。

• ガルバニック（液体）セル 。 液体電解質を使用してイオンを「輸送」する、最も古いタイプのバッテリー。 自動車産業やさまざまな家電製品に電力を供給するために広く使用されています。

• 乾燥した要素 。 組成に液体が含まれていないことを除き、ガルバニックとほぼ同じように配置されています。電解質は湿ったペーストの形で含まれており、はるかに安全です。 一次電池と二次電池の作成に使用できます。

• 塩が溶けている元素 。 業界で使用されます。 それらでは、塩はその融点まで加熱され、この液体は電解質の役割を果たします。 このソリューションにより、バッテリーの高い電気容量を実現できます。

• 予備要素 。 電解液の入った容器は要素から分離されているため、電荷を失うことなく長期間保管することができます。 このような設計は、科学的および軍事的な目的で最もよく使用されます。



すべてのタイプのバッテリーを統合するものは何ですか？ それらのすべてが化学反応により電気を生成するボルト要素のバリエーションであるという事実。 各要素は、条件付きで3つのコンポーネントで構成されます。2つの電極と、レドックス反応中にイオンが流れる電解質です。



このようなさまざまなタイプのバッテリーを使用すると、容量によって一見して互いに比較することができます。 ただし、これは、バッテリーのサイズとデザインが同じ場合にのみ当てはまります。 バッテリーの寿命は、その種類と使用されるデバイスの種類に大きく依存します。 たとえば、一次アルカリ電池は通常、最大容量が高くなりますが、実際には、煙探知器、子供のおもちゃなど、電流消費が非常に弱いときに到達します。 一方、リチウム二次電池の容量は通常わずかに低くなりますが、デジタルカメラなどの高消費デバイスでは長持ちし、安定します。 各タイプのバッテリーを詳しく見てみましょう。

一次

アルカリ電池は最も一般的であり、市場の約70％を占めています。 2011年のデータによると、世界で100億台が生産されました。 ほとんどの場合、これらのバッテリーでは、陽極は亜鉛粉末でできています。これにより、総表面積が増加し、電流が流れます。 カソードは通常、二酸化マンガンと炭素の混合物で作られています。 他の亜鉛アノード電池とは異なり、アルカリアルカリ電解液は塩化アンモニウムまたは亜鉛ではなく水酸化カリウムを使用します。 したがって、アルカリ電池は比容量が高く、長持ちし、保管されます（3〜5年、通常の亜鉛-2〜3年）。 最初、電圧は1.55〜1.7 Vで、徐々に0.8まで低下します。 低温はパフォーマンスにほとんど影響しません。



生産における最も安価な主要要素は、乾燥炭素亜鉛です。 多くの場合、メイン製品に無料で付属しています。 低電力および中電力消費のデバイス（リモートコントロール、ライト、時計）で使用することをお勧めします。 作業時間の長さが異なります。



塩化亜鉛元素の比容量は、炭素亜鉛の比容量よりも約50％高くなっています。 それらは20％重く、高エネルギー消費ではるかに長く動作し、より長く保存され、低温でより良い電荷を保持します。

アノードがリチウムまたはその合金でできている別の種類のアルカリ電池があります。 二酸化マンガンのカソードを、溶解したリチウム塩の電解ペーストに浸します。 サイズがAAおよびAAAの場合、電圧の範囲は1.5〜3.7 Vです。リチウムアルカリ電池は、高容量で内部抵抗が低いため、高電力消費状態のアルカリ電池の約2倍の長さです。 賞味期限は10年に達します。 しかし、これはすべて価格に反映されています。



一次電池を最も効果的に使用する方法は？ まず、冷蔵庫に保管する方が良いです。 これにより、バッテリーで発生する化学反応を遅くし、保存期間を約5％延長できます。 腐食しないように、湿気のない袋に入れることを忘れないでください。 使用する前に、室温に温まる時間をとります。



対照的に、一部のメーカーは、バッテリーを摂氏18〜25度、相対湿度35〜65％で保管することを推奨しています。 これらの条件下では、アルカリ電池は5〜7年、炭素亜鉛-3〜5、リチウム-10〜15年保存されます。



一次電池を25度を超える温度で保管しないでください。これにより、自己放電が大幅に促進されます。 それらを充電しようとしないでください、これは爆発につながります。 熱い電解質のスプレーはあなたに少しの喜びをもたらします。

二次

このタイプのバッテリー-アキュムレーター-は、化学反応を反対方向に向ける能力があります。 そのためには、電流の方向を強制的に変更する必要があります。 すでに述べたように、バッテリーには、鉛酸、ニッケル、リチウムイオンの3つの主な種類があります。 携帯電話からデータセンターまで、多くの分野で非常に広く使用されています。



<最初のタイプのバッテリーは電子機器やガジェットでは使用されないため、他の2つのタイプのみを検討します。>



ニッケル電池は、ニッケルカドミウム（NiCd）とニッケル水素（NiMH）に分けられます。 第一に、電極はニッケルと酸化カドミウムの水和物でできています。 ニッケルカドミウム電池は約1.2 Vの電圧を放出し、低温で良好に機能し、高エネルギー消費でも容量と寿命は低下しません。 ただし、充電期間はかなり短くなっています。



ニッケル水素電池はもっと一般的です。 カドミウムの代わりに、アノードは希土類金属（ランタン、セリウム、ネオジム、プラセオジム）の合金で作られています。 水酸化カリウムは電解質として使用されます。 1.2 Vの電圧では、NiMHバッテリーの容量はNiCdの2〜3倍であり、リチウムイオン電池に匹敵します。



NiMHバッテリーはハイブリッド車で広く使用されており、一般にNiCdにほぼ完全に取って代わりました。 高電力消費での電池寿命は、アルカリ電池の寿命よりもはるかに長くなります。 主な不利な点は、非常に速い自己放電であり、初日には20％に達し、その後は毎週約4％に達します。 高温は寿命を大幅に短縮します。



NiMHバッテリーの最も効率的な使用方法は何ですか？ 集中充電モードでは、内部抵抗と過充電の可能性が高くなり、耐用年数が短くなり、故障につながる可能性があります。 バッテリーを長期間保管する必要がある場合は、約60％放電して冷蔵庫に入れてください。 一部のメーカーは、バッテリーを完全に放電してから、長期間保管する前に接点を短絡することを推奨しています。 バッテリー容量が徐々に減少する「メモリー効果」を減らすために、通常の使用中に約30サイクルごとにこれを行うことも役立ちます。



リチウムイオン（Li-ion）バッテリーは、スマートフォン、タブレット、ラップトップ、トランシーバーなど、さまざまな電子機器で最もよく使用されます。 ほとんどの場合、アノードは何百万枚もの最も薄いグラファイトシートのスタックを表しています。 NiMHと比較して、Liイオン電池は小さく、軽く、比容量が高く、広い温度範囲でうまく機能します。 彼らは他の二次電池に比べてはるかに低い自己放電率を持っています：月5-10％。



また、重大な欠陥もあります。 それらは生産と廃棄に非常に高価です。 過充電は過熱、溶解、場合によっては爆発につながり、深い放電は短絡につながります。 これを避けるため、リチウムイオン電池には小さな制御回路が組み込まれています。 ただし、充電速度も低下します。 それらは「メモリ効果」を起こしやすいため、数年の操作または数百サイクル後に使用できなくなります。



リチウムイオン電池を最も効果的に使用するには？ 通常の使用では、3〜5年続きます。 高温になるとこのインジケータが減少するため、室温で使用して保管することをお勧めします。 放電するたびに容量が徐々に減少するため、定期的にバッテリーを充電することをお勧めします。 これは、反対に、常に完全に充電された状態を維持する必要があることを意味するものではありません。すべての二次電池には定期的な「休止」が必要です。



電子機器をネットワークに長時間接続したままにしないでください。これはセルの酸化につながり、寿命を大幅に短縮します。 長期間保管する前に、バッテリーを少し充電することをお勧めします。多くのメーカーは、40％を超えないようにすることを推奨しています。

未来のバッテリー

比容量が比較的高いため、リチウムイオン電池が支配的な地位を占めています。 ただし、デバイスの消費電力の増加は、バッテリー効率を向上させる機会を先取りしています。 そのため、たとえばリチウムシリコンなど、代替技術が積極的に研究されています。リチウムシリコンでは、バッテリーが完全に充電されると体積が3倍になり、消耗すると徐々に収縮します。 同時に、そのようなバッテリーの容量は、リチウムイオンの容量の10倍になります。 別の候補は、リチウム空気技術です。 このようなバッテリーは、内燃機関に匹敵する非常に高いエネルギー密度を持つことができます。 また、「デバイスの設計において材料の大きな表面で共振する電荷を使用してエネルギーを保存する」ことを含むスーパーキャパシタテクノロジーについても言及できます。

おわりに

リチウムイオン電池の最初の商用サンプルは1991年に登場しました。 1996年に、改良版-リチウムポリマーバッテリーが登場しました。 それから18年が経過しましたが、重要なものは何も提案されていません。 この期間にデバイスの消費電力がどれだけ増加したかを比較してください。 科学者がいつ最新の電池の適切な代替品を提供できるようになるかを言うのは困難です。 同等の寸法で、現在よりも少なくとも3〜5倍高いバッテリー容量を提供する新しい技術が必要とされています。 そして、これまでのところ、開発者キャンプからの励ましのニュースはありませんでした。



この分野でのブレークスルーは、今後10年間に起こらないと考えられています。 そのため、ガジェットの作成者は、現在のバッテリーテクノロジーの機能のみに依存する必要があります。 したがって、YotaPhoneでのE-inkディスプレイの使用は引き続き適切です。 いずれにせよ、私たちは最新の電源に厳密に従っています。



また、コンパクト電源の分野の状況についてのあなたの意見を知りたいと思っています。 停滞の次の10年間の予測を共有しますか？ たぶん、あなたはすぐに既存の技術を置き換えることができる有望な電源に関する情報を持っていますか？