18650 バッテリーの抵抗は高いほうが良いのか、低いほうが良いのでしょうか?
あなたは上記の質問に興味をそそられるかもしれません。低抵抗バッテリーが常に最良であることは明らかではないでしょうか?結局のところ、内部抵抗はバッテリーのエネルギーを無駄にします。直感的には、抵抗ゼロのバッテリーが理想的であると主張するかもしれません。抵抗がゼロだと短絡の危険性が高まるため、実際はそうではありません。
電気回路における抵抗の役割は、私たちの日常生活における摩擦の役割と似ています。例えば、摩擦のない世界を想像できますか？そのような世界では、あらゆるものが滑り回るため、立つことや歩くことさえ困難になるでしょう。摩擦が機械的な動きを制御するのと同様に、電気抵抗は電流の流れを制御します。あらゆるバッテリーアプリケーションにおいて、電力供給と電力需要を一致させることが重要であり、抵抗が重要な役割を果たします。しかし、どの程度の抵抗が許容できないのでしょうか？ここでは、広く普及している18650バッテリーセルに焦点を当てて、このトピックを探ってみましょう。
バッテリーの内部抵抗とは何ですか?
バッテリーの内部抵抗は、その電極間の内部電流の流れに与えられる抵抗です。これは、バッテリーの種類、化学的性質、使用年数、温度、充電状態、アプリケーションなどのいくつかの要因によって異なります。
バッテリーシステム内を流れる電流は、貯蔵タンクに取り付けられた蛇口から水が流れ出るようなものだと想像してください。したがって、バッテリーの電極間の電圧差は、タンクから水を押し出すレベルまたは圧力差に似ています。電池の内部抵抗は、次のようにタップの抵抗と比較できます。 図1.
リチウムイオン電池が電流を供給できる速度は、リチウムイオンがアノードとカソードの間を移動する速度によって決まります。内部抵抗により移動速度が遅くなります。リチウムイオン電池の内部抵抗は、次の 3 つの要素に分類できます。
- 拡散抵抗
- 電荷移動抵抗
- 耐電解液性
これらは図2に示されており、以下に説明する。
拡散抵抗
これは、電極内のイオン伝導性に関係します。ある電極から別の電極に移動するリチウムイオンは、電極構造から離れて電解液に溶解します。電極構造内では、これらの移動イオンは局所的な原子配置と静電相互作用によって制限され、拡散抵抗が生じます。
電荷移動抵抗
これは、リチウムイオンが固体電極界面（SEI）を通過する際に受ける抵抗です。SEIは、電極と電解質との反応を防ぐために、電池製造時にアノード上に最初に形成されます。SEIはリチウムイオンの移動を許容しますが、電子の移動を阻害します。SEI層の厚さは、電池の使用寿命を通じて増加します。SEI抵抗の定量的解析のために、通常は電荷移動抵抗と二重層容量の組み合わせとしてモデル化されます。これは図3に示されています。
電解液耐性
リチウムイオンが電解質中を移動する速度は、電解質の化学的および物理的特性によって異なります。電解質とセパレーターの抵抗は、バルク抵抗またはオーム抵抗とも呼ばれます。リチウムイオン電池は低温に対して非常に敏感であり、これが氷点下の温度でリチウムイオン電池の容量が大幅に低下する理由の1つです。
18650 バッテリーの内部抵抗を測定するにはどうすればよいですか?
電気抵抗の各成分には固有の特性があるため、異なる測定手法が必要になります。また、内部抵抗は一定の値ではなく、セルの温度、充電状態 (SoC)、化学的性質、構造、使用年数に依存することにも注意してください。したがって、測定を実行する条件を明示的に定義する必要があります。一般的な抵抗測定方法には、直流内部抵抗 (DC-IR)、交流内部抵抗 (AC-IR)、電気化学インピーダンス分光法などがあります。これらについては以下で説明します。
DC-IR抵抗測定
この方法では、時間パルスの形で直流電流要求がバッテリー端子間に印加され、電圧応答が測定されます。抵抗は、電圧降下を電流要求で割ることによって計算されます。典型的な電流パルスは約 30 秒間続きます。瞬時電圧降下と時間遅延電圧降下が測定されます。たとえば、図 4 に示すように、瞬時電圧降下は 0.1 秒で測定され、オーム抵抗「Ro」に対応します。1 秒後の電圧降下は、電荷移動抵抗「R CT 」に起因します。最後に、20 秒までの電圧の延長された減衰は、拡散抵抗 R Dの尺度です。
AC-IR抵抗測定
AC 方式では、バッテリーへの定電流 AC 信号が利用されます。この AC 信号の周波数は通常 1 kHz に固定されていますが、一部の製品では周波数を変更できるものもあります。電流の変化によって生成される小さな電圧は、インピーダンス値の計算に使用されます。インピーダンスという用語は、AC 回路の抵抗を表すために使用されることに注意してください。これは、電流の流れを妨げる誘導効果と容量効果で構成されるリアクタンス成分によるものです。リアクタンスとオーミック抵抗の間には位相差があり、これらをベクトル的に加算してインピーダンスを計算します。
次に、ある範囲の周波数で測定されたリアクタンスとオーム抵抗の値がナイキスト線図にプロットされます。図 5 は、1 kHz ～ 1 Hz の周波数範囲のプロットを示しています。
横軸から、バッテリーの総内部抵抗を拡散抵抗、電荷移動抵抗、電解質抵抗などの成分に分離することができます。
電気化学インピーダンス分光法 (EIS)
EIS は主に、バッテリーの動的インピーダンスを測定するための研究ツールです。この技術では、ポテンショスタット/ガルバノスタット機器を使用して、数ミリヘルツからメガヘルツまでの広範囲のテスト周波数にわたって小信号 AC または電圧刺激を加えます。結果として生じる電圧または電流応答はデジタル処理され、さまざまな周波数でインピーダンス値が測定されます。結果はナイキストプロットに表示されます。 EIS のセットアップは非常に高価で複雑で時間がかかるため、生産ラインの運用には適していません。
18650 バッテリーの抵抗は高い方が良いですか? 低い方が良いですか?
この質問に答えるには、18650 が優勢な市場セグメントに注目する必要があります。 18650 は、エネルギー密度が高く、コンパクトで、早期に市場に参入したため、さまざまな用途に使用されています。これらは、ガジェットやおもちゃ、携帯電話、コンピューター、蓄電装置、ドローン、電動自転車、電気自動車に及びます。各アプリケーションは、異なるパターンの電力需要をバッテリーに課します。たとえば、懐中電灯やラップトップの 18650 セルは小さいながらも一定の電流を供給する必要がありますが、電動工具で使用する場合は、短時間で大きな電流を供給する必要があります。携帯電話の場合、現在の需要は図 6 に示すパルスの形になります。
また、18650セルの内部抵抗は、動作温度、経年劣化、充電状態（SoC）によって変化することも覚えておく必要があります。ノートパソコンなどのデバイスは極端な温度にさらされることはありませんが、電気自動車や大型蓄電装置はさまざまな気候条件にさらされます。図7は、天津利神公司製の18650バッテリーの内部抵抗の温度とSoCによる変化を示しています。
図 7 から、テストしたモデルの内部抵抗値の範囲が 60 ～ 140 ミリオームであることがわかります。これらは一般的な抵抗値であり、さまざまなメーカーの 18650 のさまざまなモデルによって異なります。この抵抗データに基づいて、18650 バッテリーに最適な用途は何でしょうか?図 8 は、一般的なアプリケーションに対してマッピングされたバッテリーとパックの抵抗を示しています。ほとんどのアプリケーションでは、内部抵抗が 10 ミリオームから 100 ミリオームの範囲のバッテリが使用されていることがわかります。これは、18650 バッテリーが成功を収めた市場セグメントとほぼ一致しています。 EV バッテリーの場合、セル抵抗は低い方が好ましいです。したがって、テスラは初期のセダンに 18650 バッテリーを採用しましたが、それは理想的な選択ではありませんでした。彼らは現在、より大きなフォーマットとより低い抵抗のバッテリーに移行しています。
したがって、10 電池が家庭用電化製品やガジェットの分野で市場を維持するには、100 ミリオームから 18650 ミリオームの抵抗範囲が十分であると結論付けることができます。抵抗が高いことは望ましくありません。
内部抵抗が高い18650バッテリーの欠点は何ですか?
内部抵抗が高いことの主な欠点は次のとおりです。
- 過剰な熱生成: 「ジュール発熱」と呼ばれる、これは電流が抵抗を流れるときに失われるエネルギーから発生します。制御されていない加熱は、リチウムイオン電池の熱暴走や発火を引き起こす可能性があります。
- 電力損失: バッテリーによって供給される有効電力は、内部抵抗により減少します。
- バッテリー寿命: 容量の損失が速くなるため、再充電サイクルの頻度が増加します。 図9は、携帯電話のバッテリの実行時間に対するバッテリ抵抗の影響を示しています。 100 ミリオームのバッテリーは、抵抗が 400 ミリオームのバッテリーの XNUMX 倍の実行時間を実現します。
バッテリーの内部抵抗に影響を与えるもの
リチウムイオン電池の内部抵抗に影響を与える主な要因は次のとおりです。
- バッテリーの化学: 電極と電解質の組成は、リチウムイオンの利用可能性と動作に影響します。
- バッテリーの経年変化: SEI 層は経年とともに蓄積し、抵抗が増加します。
- 充電状態 (SoC): SoC が減少すると抵抗が増加します。
- 温度: 温度が低下すると抵抗が増加します。
- バッテリーの構造: 化学的性質とサイズが同じでもメーカーが異なるバッテリーは、異なる内部抵抗を示します。これはセルの構築方法の違いによるものです。
さまざまな種類のリチウム電池の内部抵抗はどれくらいですか?
先ほど学んだように、内部抵抗は多くのパラメーターに依存する可変量です。メーカーは通常、抵抗曲線を公表しません。ただし、さまざまなバッテリーの抵抗を比較したいくつかの研究データが入手可能です。 2022年に発表された欧州の研究の50つは、さまざまなメーカーのリチウムイオン電池のインピーダンスとオーム抵抗を測定したものです。測定は、EIS を使用して、さまざまな周波数と充電状態 (SOC) にわたって行われました。 10 フォーマットのリチウムイオン NMC セルの 18650 種類の異なるモデルについて、XNUMX% SOC で測定されたオーム抵抗は、次の表に示されています。
| メーカー | モデル | 容量 mAh | 公称電圧（V） | 50% SOC でのオーム抵抗 (ミリオーム) |
| キープパワー | P1834J | 3400 | 3.7 | 100.07 |
| LG Chem | HG2 | 3000 | 3.6 | 17.76 |
| LG Chem | M26 | 2600 | 3.65 | 40.66 |
| LG Chem | MJ1 | 3500 | 3.635 | 43.93 |
| 村田 | V3 | 2250 | 3.7 | 33.86 |
| 村田 | VTC5A | 2250 | 3.7 | 73.56 |
| 村田 | VTC6 | 3120 | 3.7 | 12.74 |
| Nitecore | NL1835HP | 3500 | 3.6 | 53.67 |
| サムスン | 30Q | 3000 | 3.6 | 13.24 |
| 三洋 | ZT | 2700 | 3.7 | 41.10 |
リチウム電池の内部抵抗が乾電池より低いのはなぜですか?
その主な理由は、電流が生成される際の基本的な化学反応にあります。リチウムイオン電池の場合、電解液はサイクル寿命全体を通して化学的に安定でリチウムイオンに導電性を持つように設計されています。反応生成物は蓄積されません。一方、主に亜鉛炭素型である乾電池は、不可逆的な化学反応に基づいています。これらの電池の亜鉛正極は、水性電解液と不可逆的に反応して電子を放出します。亜鉛と電解液の両方が消費され、正極に反応生成物の層が蓄積されます。さまざまな種類の乾電池では、電解液は塩化アンモニウム、塩化亜鉛、または水酸化カリウムや水酸化ナトリウムなどのアルカリです。図10は、亜鉛反応生成物が正極に蓄積し、乾電池の内部抵抗が増加する様子を示しています。
どのような場合に内部抵抗が増加しますか?
リチウムイオン電池の種類とモデルを選択すると、次の理由により抵抗が増加していることに気づくでしょう。
- 使用年数: バッテリーが古くなると、内部抵抗が増加します。
- 低温：低温では電解液抵抗が増加します。そのため、寒冷地では電気自動車のバッテリーを加熱する必要があります。
内部抵抗がバッテリーに与える影響は何ですか?
内部抵抗の主な影響はバッテリーの性能にあります。これは急速な電圧降下として現れ、バッテリーは定格容量どおりに電力を供給できなくなります。もう 1 つの主な問題は加熱です。これにより、電気自動車の場合のように、数千個のバッテリーを使用する大型バッテリーパックが使用される場合、冷却システムのコストが増加します。バッテリーが高温になると、熱暴走の危険性が高まります。