ポータブル電源のバッテリーはどの種類が良いか?

ポータブル電源は、リチウムイオンバッテリーが使われています。
リチウムイオンバッテリーには、多くの種類があります。
この記事では、リチウムイオンバッテリーの種類と特徴について説明します。
目次
リチウムイオンバッテリーの種類

図のようにリチウムイオンバッテリーの種類は
リン酸鉄系
⇓
リチウムポリマー系
⇓
チタン系
⇓
三元系
⇓
マンガン系
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ニッケル系
⇓
コバルト系
などがあります。
- バッテリーの安全性は
-
「コバルト系」から「リン酸鉄系」に向かって高くなります。
- バッテリーが持つエネルギー密度は
-
「リン酸鉄系」から「コバルト系」に向かって高くなります。
- リン酸鉄系の特徴
-
メリット・・・安全性が高く、長寿命
デメリット・・・エネルギー密度が低い、重量が重い
ポータブル電源のバッテリーの主流が三元系からリン酸鉄系へ変わる
三元系バッテリーの特徴
ポータブル電源のバッテリーは、「三元系のリチウムバッテリー」が主流でした。
三元系バッテリーは、エネルギー密度が高く、重量が軽いというメリットがあります。
デメリットは安全性や寿命が、リン酸鉄系に比べると劣っていることです。
リン酸鉄系バッテリーの特徴
リン酸鉄リチウムバッテリーのデメリットは、三元系と比べると「エネルギー密度が低いこと・バッテリーが重くなること」です。
しかし、最近では「安全性」と「長寿命」というメリットから、「リン酸鉄リチウムイオンバッテリー」が主流になっています。
メリット
デメリット
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーのメリット
- 安全性が高いこと
- 長寿命であること
- 自己放電率が小さいこと
リン酸鉄バッテリーは安全性が高いこと
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは
正極(プラス)にリン酸鉄リチウム、負極(マイナス)に黒鉛材料(グラファイト)を使用しています。
正極材料に「リチウム(Li)、鉄(Fe)、リン(P)」が使用されているので、リン酸鉄リチウムバッテリー(LiFePO4)と呼ばれます。
リン酸鉄リチウムバッテリーがなぜ「安全」と言われるのか?
バッテリーは衝撃や使用環境によって、発熱や発火することがあります。
物が燃えるためには、次の3つの要素が必要です
- 可燃物があること
- 熱があること
- 酸素があること
リチウムイオンバッテリーが「発火」する訳は?
- 可燃物:バッテリーを囲うケースなど
- 熱:過電流などによる発熱
- 酸素:バッテリー内部に酸素が発生する
など物が燃えるための「3つの要素」があるからです。
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーが「発火」しない訳は?
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーも、リチウムイオンバッテリーと同様に「発熱」が起こります。
しかし、燃焼に必要な「酸素」が発生しません。
酸素が発生しない原因は、リン原子(P) と 鉄原子(Fe) と 酸素原子(O) の結合が強力なためです。
- 内部短絡が発生しても、燃焼しないこと
- 燃焼に必要な「酸素」が発生しない
- 短絡部分が化学反応で、絶縁物(電気を通さない物質)になる
以上の理由から
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは発火しないので、現時点(2023年)においては最も安全性に優れたバッテリーということができます。

ポータブル電源は、安全性が最も重要です。
リン酸鉄バッテリーは長寿命なこと
ポータブル電源に使われている、従来のリチウムイオンバッテリーは、サイクルが「500回~1000回」程度です。
これに対し、リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、充放電のサイクルが「4000回以上」となっています。
使用できる年数としては、1日1サイクル使用したとして、約10年間以上使用できることになります。



ポータブル電源メーカーのサイクル寿命
初期容量の80%以上を維持できる回数としています。
サイクル回数とは?


バッテリーを「0%~100%」まで充電し、次に「0%」まで放電することを「1サイクル」といいます。
充電サイクルと放電サイクルの説明


- 充電サイクル
-
バッテリーへ「充電」することを繰り返します。充電量の合計が100%になった時、充電サイクル1回とします。
- 放電サイクル
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バッテリーから「放電」することを繰り返します。放電量の合計が100%になった時、放電サイクル1回とします。
- サイクル回数の数え方は
-
放電サイクルの回数を数えれば良い。
放電ができるということは、途中で必ず充電をしていることになります。
充電をせずに、永久に放電できる電池はないからです。
サイクル回数の例


- 1回目・・・100%のバッテリーを「65%」放電する
- バッテリーを充電し、100%にする
- 2回目・・・バッテリーを「35%」放電する
- バッテリーを充電し、100%にする
電源につないだ回数は2回、100%まで放電(または充電)した回数も2回です。
サイクル回数は、放電(または充電)した電気量の合計が100%になった時「1回」とします。
つまり、放電回数が3回でも4回でも、放電した電気量の合計が「100%」になった時に「1回」と数えます。



サイクル回数の数え方は、充電器につないだ回数ではありません。
リン酸鉄バッテリーは自己放電率が小さいこと
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、長期間放置しておいても自己放電率は小さく「月に1%程度」です。
長期に保管する電源として、適しています。
鉛バッテリーの場合は、自己放電率が月に20%程になります。
引用先:COTAC
ポータブル電源は製品の寿命を伸ばすために、数ヶ月(3カ月~6カ月)に一度は充電することを勧めています。
リン酸鉄バッテリーのデメリット
バッテリー価格が高い
メリットが多い「リン酸鉄リチウムイオンバッテリー」ですが、バッテリー価格が高いことがデメリットです。
原材料自体は安く使えるのですが、材料をリチウムイオン電池化するための「コスト」が製品価格を高くします。
エネルギー密度が低い
リチウム系イオン電池の中では、電圧・エネルギー密度が低い
- 三元系バッテリー・・・電圧3.7V
- リン酸鉄系バッテリー・・・電圧3.2V
重量が三元系バッテリーより重い
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは
デメリットを考えても、バッテリーとして「安全性や長寿命などのメリットが多く」、現在のところ最も使いやすいバッテリーであることは間違いありません。
技術の進歩によりバッテリーは、ますます高性能になることが考えられ価格も低下するものと考えられます。
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーのまとめ
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーの特徴は
- 安全性が高いこと
-
内部短絡が発生しても、燃焼しない。
燃焼に必要な、「酸素」が発生しない。
短絡部分が化学反応で、絶縁物(電気を通さない物質)になる。
- 長寿命であること
-
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、充放電のサイクルが「4000回」以上になっている。
使用できる年数としては、1日1サイクル使用したとして、約10年間使用できることになります。
- 自己放電率が小さい
-
リン酸鉄リチウムイオンバッテリーは、長期間放置しておいても自己放電率は小さく「月に1%程度」です。
- デメリット
-
電気容量に対する価格が高い
エネルギー密度が低い