モバイルバッテリー：知っておくべきことすべて

モバイル機器に搭載されているバッテリーは、化学工学の奇跡とも言えるもので、膨大なエネルギーを蓄え、機器を何時間も駆動させることができます。バッテリーはどのように機能し、最大限に活用するにはどうすればいいのでしょうか？

現代のモバイルデバイスのほとんどは、リチウムイオン (Li-ion と呼ばれることもある) バッテリーを使用しています。このバッテリーは、一対の電極と、その間にある電解質という 2 つの主要部分で構成されています。これらの電極の材料はさまざまですが (リチウム、グラファイト、ナノワイヤなど)、すべてリチウムの化学的性質に依存しています。リチウムは反応性の高い金属であるため、他の元素と化合する傾向があります。純粋なリチウムは反応性が非常に高く、空気中で発火する可能性があるため、ほとんどのバッテリーでは、より安全な形態のコバルト酸リチウムが使用されています。2 つの電極の間には電解質があり、通常は液体の有機溶媒であり、これにより電極間で電子が移動できます。リチウムイオンバッテリーが充電されると、コバルト酸リチウム分子が電子を捕獲して保持し、携帯電話の動作中など、バッテリーの使用時に電子を放出します。

リチウムイオン電池は、最小のスペースに最大のエネルギーを蓄えることができるため、最も一般的な電池です。これは比エネルギー密度で測定され、1kgの電池がワット時単位でどれだけのエネルギーを蓄えられるかを示します。リチウムイオン電池の場合、この数値は150～250Wh/kgの範囲ですが、ニッケル水素電池（NiMH）は約100Wh/kgです。つまり、リチウムイオン電池は他の種類の電池よりも小型で軽量であるため、機器の小型化と電池寿命の延長につながります。

こうした化学反応はすべて、一つのことを意味します。デバイスのバッテリーはエネルギーを蓄えており、内部の化学物質はそのエネルギーを何とかして放出しようと躍起になっているのです。そして、これは問題を引き起こす可能性があります。ボーイング社が最近、駐機中の787ドリームライナーのバッテリーが発火した際に、その事実を突き止めました。

これはリチウムイオンの欠点の一つです。バッテリーが過度に放電されると、化学反応が起こり、過剰な酸化リチウムが生成されます。これが発火し、さらに酸化リチウムが生成され、これが繰り返されます。化学者はこれを熱暴走反応と呼び、誰もが火災と呼ぶものです。これがFAA（連邦航空局）が787型機の運航停止を命じた理由です。バッテリーに穴を開けた場合も同様のことが起こる可能性があるため、TSA（運輸保安局）は航空旅客に対し、バッテリーを預け荷物ではなく機内持ち込み荷物に慎重に入れるよう推奨しています。

バッテリー容量

バッテリーの容量はミリアンペア時間（mAh）で表され、これはバッテリーが一定時間内にどれだけのエネルギーを供給できるかを示します。例えば、バッテリーの定格容量が1000mAhの場合、1000ミリアンペアの電力を1時間供給できます。デバイスが500ミリアンペアの電力を使用する場合、バッテリーは約2時間持続します。

ただし、デバイスのバッテリー寿命はそれよりも少し複雑です。デバイスの消費電力は、動作状況によって変化するためです。デバイスの画面がオンで、無線通信が送信中で、プロセッサがフル稼働している場合、画面がオフで、無線通信とプロセッサがアイドル状態の場合よりも多くの電力を消費します。

そのため、バッテリー駆動時間の表示には注意が必要です。メーカーは画面の明るさを下げたり、デバイスの一部をオフにしたりすることで、バッテリー駆動時間を延ばす可能性があります。興味があれば、Androidの場合はBattery Monitor Widget、iOSデバイスの場合はBattery Life Proなど、モバイルデバイスの消費電力とバッテリー状態を監視するアプリを使うことができます。

電力の流れを制御する

このグラフは、Samsung Galaxy Note の充電時に流入する電力の流れを示しています。

リチウムイオン電池は発火しやすいため、厳密に管理する必要があります。電池メーカーは、電流の流れを管理する充電コントローラを内蔵することでこれを実現しています。実質的に、すべての電池には小型のコンピューターが内蔵されており、急速放電や危険なレベルまで放電されるのを防いでいます。このコンポーネントは充電中に電池への電力の流れも制御し、電池が満充電に近づくにつれて電力の流れを遅くすることで過充電を防止します。

このプロセスがどのように機能するかを示すために、Samsung Galaxy Noteを充電し、デバイスへの電力の流れと、バッテリー充電率の表示値を測定しました。上のグラフからわかるように、バッテリーへの電力の流れは、充電開始時に最も高く、その後徐々に減少します。充電の最後の数回は、コントローラーが電力の流れを極小に減速し、バッテリーが過度に充電されないようにするため、長い時間がかかります。

電力の未来

バッテリー技術は常に進歩しており、世界中の研究室ではリチウムに代わる新しいバッテリー技術やリチウムイオンバッテリーの新しい製造方法を模索しています。新しい技術の中でも、バッテリーが電気的にエネルギーを蓄え、フラッシュガンのようにそれを放出するスーパーキャパシターへの取り組みが盛んに行われています。スーパーキャパシターは化学変化がほとんど起こらないため、はるかに急速な充電が可能になりますが、現在のスーパーキャパシターは短時間しか電力を供給できず、これはほとんどのモバイルデバイスが必要としているものとは逆です。水素を使って発電する燃料電池も間もなく登場します。1月のCESトレードショーで発表されたNectar燃料電池システムは、10ドルのカートリッジを使って携帯電話を最大2週間稼働させることができます。しかし、燃料電池はまだ電話の中に収まるほど小さくなく、Nectarシステムは既存のリチウムイオンバッテリーを充電するもので、それを置き換えるものではありません。

将来的には、バッテリー内部のリチウムに硫黄が結合する可能性がある。スタンフォード大学の科学者たちは最近、ナノテクノロジーを用いて化学混合物に硫黄を添加したバッテリーを実証した。これにより、バッテリーのエネルギー密度は最大5倍に向上し、寿命も向上した。しかし、この開発が市場に投入されるのは数年後になるだろう。