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【 2009/03/30 】 |
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【 2009/03/27 】 |
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【 2009/03/24 】 |
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【 2009/03/23 】 |
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そこが知りたい家電の新技術 |
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～大容量技術が低自己放電の基礎に
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Reported by
白根 雅彦
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なお、マーケティング面の特徴については、前回、ご紹介しているのであわせてお読みいただきたい。
電池は、内部に充填された電解液中で、2つの電極(正極と負極)が化学反応し、そのエネルギーが放電される仕組みを用いている。このような電池は化学電池と呼ばれ、正極と負極の組み合わせによって、放電される電圧や特性が異なる。 ニッケル水素充電池とは、正極に水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金(金属結晶内に水素をとらえる合金)を使う二次電池だ。ニッケル水素充電池が放電する際の電圧は1.2Vと、アルカリマンガン電池の1.5Vに近いため、乾電池の代替品としても広く使われている。いま市販されている、単三形や単四形の乾電池互換タイプの充電池は、ほとんどがニッケル水素充電池である。 乾電池互換タイプの中では広く使われているニッケル水素充電池だが、そもそも単三形や単四形の二次電池の市場は、乾電池に比べると微々たるものだ。'05年度、乾電池が国内だけで約22億本も出荷されているのに対し、市販用のニッケル水素充電池はその1%にも満たない。 そうした状況を打破しようと、生まれたのがエネループだ。これまでのニッケル水素充電池ともっとも異なる点は、自己放電特性を抑えた点にある。ニッケル水素充電池の普及を妨げていた、「放っておくと使えなくなる」という弱点を解決する試みだ。
● なぜニッケル水素充電池は自己放電を起こすのか
自己放電とは、実際に放電したわけではないのに、電池内で放電と同じ化学反応が起きてしまうという現象だ。満充電になっていても、長時間放置していると、じわじわと残り容量が減ってしまう。 この自己放電には、いくつかの原因があるとされる。学会などでもよく知られているのは、「正極の自己分解」と「窒素化合物によるシャトル効果」だという。いずれも電池内で自然に起こる化学反応で、簡単に言うと、電池を使っていないのに、勝手に同じ化学変化が電池内で起きてしまうということだ。 さらに三洋電機では、もう1つの自己放電の原因として、「セパレータへの導電性化合物析出」というものを挙げる。これは負極の水素吸蔵合金に含まれるコバルトやマンガンが、エネルギーを動かす媒介物となる電解液に溶出することで起きる現象だ。
「正極の自己分解」に対しては、正極自体を分解しにくい組成にしたり、電解液の組成を新しくするなど、素材面を見直している。 「窒素化合物によるシャトル効果」については、本当は電池材料の製造過程で生じる窒素化合物をなくせばよいところだが、それは工業的には現実的ではないので、電池内のセパレータを改良することで対策している。 そして「セパレータへの導電性化合物の析出」については、やはりセパレータを改良すると同時に、負極の水素吸蔵合金に、コバルトやマンガンを使わない「超格子合金」を採用することで対策を取っている。コバルトやマンガンは、これまでニッケル水素充電池において必須の材料となっていたが、電池の作用そのものには必要のない化学物質も含んでおり、それが自己放電を起こす原因となっていた。 この超格子合金は、三洋電機のニッケル水素充電池において、キモとなるテクノロジーだ。この素材の採用により、電極からコバルトとマンガンを排し、水素吸蔵量の向上＝電池容量のアップにつながっているというわけだ。 ● 容量追求を見直したことで実現した低自己放電・高サイクル寿命
エネループでは、この超格子合金によるメリットを容量アップではなく自己放電を防ぐ方向に振り分けたことが、技術的なポイントとなる。 これまでのニッケル水素充電池は、1回の充電でどれだけの電力を蓄えられるか、つまり容量がもっとも重要視されていた。しかしエネループの容量は2,000mAhと、従来製品よりも少なくなっている。三洋電機の「HR-3UF」で2,500mAh、大容量製品の「HR-3UG」で2,700mAhだ。 「容量と充電回数・自己放電率は、トレードオフの関係にあります。充電、放電のくり返し寿命は、容量の大きな電池の方が短くなってしまいます」(田所氏) 実は2,700mAhの製品も、2,000mAhのエネループも、2,500mAhの製品をベースとしている。サイクル数を減らして、200mAh分の容量を向上させたのが2,700mAhの製品で、逆に500mAhの容量を犠牲にして、自己放電の抑制と、充電回数のアップを実現したのが、エネループということになる。 「エネループの場合、素材改良によって得られたメリットを、自己放電の解消とサイクル数向上に振り分け、より乾電池に近い使い勝手にしたというわけです」(田所氏) この結果、エネループでは従来製品の倍に当たる、約1,000サイクルの充放電に耐えるという。わずかな容量の差と、サイクル数・自己放電率の大きな差を考えると、ほとんどの人にとっては、後者の方がより魅力的に映るだろう。 「こうしたことも、三洋電機の高容量充電池技術が背景にあって、はじめてできることです。過去のモデルで容量増加を積み重ね、2,500mAhの製品を作れるようになったからこそ、エネループが作れたのです」(田所氏) '01年、市販用単三形ニッケル水素電池の容量は、1,700mAhだった。それを'04年に2,500mAhまで向上させた高容量化技術があって、初めてエネループは完成したのだ。
● 密かな特徴、わずかな電圧向上がもたらすメリット
これまでのニッケル水素充電池の電圧は、1.2Vだった。しかしエネループの電圧は、それよりほんの少しだけ高い。わずか0.05Vほどの差だが、これが面白いメリットをもたらしている。 たとえば一般的なデジカメの場合、電池の残量を電圧で推測するシステムを使っている。電池の多くは、残り容量に応じて放電する電圧が緩やかに低下するという特性を持っている。その特性を利用し、電池が放電する電圧が一定を下回ったら、「半電池マーク」などで電池残量を警告するわけだ。しかし、従来の充電池では放置しておくと、実際のエネルギーが十分に残っていても、「電池残量小」と表示されることがあった。 エネループの場合、電圧が高いため、残容量表示のタイミングが、実際のエネルギー残容量により見合ったものとなっている。三洋電機が市販のデジカメで実験したところ、半電池マークが出るまでの撮影枚数は、エネループが927枚、2,500mAhの製品が897枚と、エネループの方が多かった。 デジカメがシャットダウンするまでの撮影枚数は、さすがに高容量である2,500mAhの製品の方が多い。しかしそれでも、エネループでは1,005枚、2,500mAhの製品で1,128枚と、スペック上の容量ほどの差が出ていない。これもエネループの電圧が高い恩恵の1つだ。電圧が高いため、シャットダウン限界電圧に達するまでが少し遅く、容量の大きな電池との差が少なくなっている。 また、電圧が高いことは、まったく別のメリットもある。継ぎ足し充電時に起こる現象、いわゆる「メモリー効果」への影響だ。 メモリー効果とは、ニッケル水素充電池において、継ぎ足し充電を何度も繰り返したあとに、完全放電を行なうと、一時的に通常の放電電圧よりも電圧が低くなる、という現象である。 電圧が低いと、先にも説明した半電池マークやシャットダウン限界電圧に達するのが早くなり、容量が減少したように見えてしまう。この現象を防ぐためには、一度電池を使い切る必要があり、そのために「リフレッシュ機能」として、放電回路を組み込む充電器も多い。 そもそもメモリー効果とは、そのメカニズムがはっきりと解明されておらず、まだ解決されていない問題だ。しかしエネループの場合、元々の電圧が高いため、メモリー効果による電圧降下の悪影響が少ない。 「メモリー効果が完全になくなったわけではありませんが、エネループはメモリー効果を実用上、気にしないで利用できます」(田所氏) 面倒な放電プロセスなしで、簡単に繰り返し使える、というのも、エネループのメリットというわけだ。 ● 使える範囲が広がった新世代のニッケル水素充電池 自己放電特性、高サイクル寿命、さらに高い電圧によるメモリー効果の改善など、エネループにはほかの充電池にない特性がある。こうした特性により、従来型の充電池では使いにくかった機器、たとえば残量を消費するのに時間がかかる掛け時計などにも、エネループは使いやすくなっている。繰り返して使える充電池の裾野をより拡げたエネループ。今後も、ユーザーの手間とコスト負担を省きつつ、環境に貢献できる価値ある商品の登場に期待したい。 ■URL 三洋電機株式会社 http://www.sanyo.co.jp/ 製品情報 http://www.sanyo.co.jp/eneloop/ ■ 関連記事 ・ 三洋電機・エネループ担当者に聞くヒットの理由（2007/01/17） ・ 三洋、「eneloop」ブランドの太陽発電充電器と電気カイロ（2006/10/31） ・ 三洋の充電池「エネループ」がグッドデザイン大賞候補に選出（2006/10/02） ・ 家電製品ミニレビュー 三洋電機「eneloop kairo KIR-S1」（2006/12/22） 2007/02/01 00:00 - ページの先頭へ-
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