バッテリーは、18 世紀後半の発明以来、長い道のりを歩んできました。最初のバッテリーはボルタ電池と呼ばれ、1780 年にイタリアの物理学者ルイジ ガルヴァーニによって開発されました。これらの初期のタイプは、塩水に浸した紙で区切られた銅と亜鉛の電極板で構成されていました。その後数十年にわたって改良が続けられ、よりコンパクトで強力になりました。重要な進歩は、1859 年にフランスの物理学者ガストン プランテによって発明された鉛蓄電池でした。プランテの設計では、硫酸で飽和した吸収材の層で区切られた鉛電極が特徴でした。この革新により、使用済みの材料を補充することで再充電が可能になりました。
19 世紀後半には、電話、電信、電力網などの技術により、信頼性の高いポータブル電源の需要が高まりました。バッテリー これにより、化学の進歩が促進されました。ドイツ生まれのアメリカ人エンジニア、トーマス・エジソンは、1880 年代にニッケル鉄電池を開発しました。その後、20 世紀初頭にニッケルカドミウム電池などの派生電池が登場しました。一方、リチウム電池は 1970 年代に初めて登場しましたが、その後の画期的な進歩により大量生産が可能になるまで、広く普及することはありませんでした。今日、リチウムイオンは依然として、家庭用電化製品や電気自動車に電力を供給する主要なタイプです。
エネルギー密度と耐久性の進歩
バッテリー現代の技術は、エネルギー密度と寿命の向上に重点を置いています。エネルギー密度とは、単位質量または単位体積あたりに蓄えられる電気エネルギーの量を指します。エネルギー密度が高いほど、小型で軽量で、動作時間が長くなります。初期の電池はエネルギー密度が低く、短時間しかデバイスに電力を供給できませんでした。重要な開発により、密度は大幅に向上しました。たとえば、1991 年に導入されたリチウムイオンは、ニッケルカドミウムの 3 倍以上のエネルギー密度を提供しました。
耐久性は、何年もの充電サイクルに耐えることが期待されるポータブル デバイスにとっても非常に重要です。ニッケルカドミウムのような初期の充電式電池は、メモリ効果に悩まされ、時間の経過とともに容量が減少しました。研究者は、材料工学と充電技術の最適化を通じてこれらの問題に対処しようとしました。リチウムイオンなどの進歩によりメモリ効果が解消され、当初は500～1000回のフル充電放電サイクルが可能になりました。現代のリチウムイオン型は、容量が80%に低下するまで1500回以上のサイクルに耐えることができます。このような改善は、ポータブル電子機器の革命を可能にするために不可欠でした。
リチウムイオンの台頭とその役割の拡大
高いエネルギー密度、低い自己放電、比較的平坦な放電曲線により、リチウムイオンは過去30年間で主要な化学物質として浮上しました。今日では、スマートフォン、ラップトップ、電動工具など、40億台を超えるデバイスに電力を供給しています。リチウムイオンのエネルギー密度は約100Wh/kgで、ニッケルカドミウムの3倍以上であり、薄くて軽量なデバイスを可能にします。 1991 年以降、ナノサイズの材料と電解質の開発により、リチウムイオン セルのエネルギー密度は 10 倍近く増加しました。
リチウムイオンは、電気自動車 (EV) を実現する鍵でもあります。ほとんどの EV は、回生ブレーキと充電からのエネルギーを蓄えるためにリチウムイオン バッテリー パックに依存しています。テスラ モーターズは、2008 年以降、ロードスター用の大容量リチウムイオン パックを開発することで、現代の EV 業界の促進に貢献しました。コストが下がり、走行距離が 300 マイルを超えるにつれて、EV の世界的な販売は急増しています。輸送部門は現在、リチウムイオンの主要な用途として消費者向け電子機器と競合しています。アナリストは、自動車用リチウムイオン市場だけでも 2030 年までに 800 億ドルを超える可能性があると予測しています。
今後の展望
リチウムイオンが優位であるにもかかわらず、研究者は新しい化学物質の開発を続けています。リチウム硫黄とリチウム空気は、リチウムイオンの理論上の最大値である 260 Wh/kg を超える超高エネルギー密度を目指す有望な代替品です。シリコンやその他のアノード材料もリチウムイオンの密度を高める可能性があります。従来のリチウムベースの設計に加えて、ナトリウムイオン、マグネシウムイオン、アルミニウムイオンなどの代替品も注目を集めています。研究者は、次世代タイプの寿命や製造の複雑さなどの問題に取り組んでいます。
一方、リサイクルは注目を集めています。電気自動車や家電製品の普及により使用量が飛躍的に増加するにつれて、リサイクルは環境的にも経済的にもますます重要になっています。リサイクルでは、リチウム、コバルト、ニッケル、マンガンなどの材料を回収して再利用します。また、需要が急増する中で供給制約に対処するのにも役立ちます。材料をより効率的に分解して抽出する技術は、回収およびリサイクルインフラと並行して進歩しています。
その技術は驚異的な進歩を遂げ、世界の人々がエネルギーにアクセスし消費する方法を変えています。継続的な進歩により、輸送、グリッドストレージなど、さらなる電化が期待されます。賢明な持続可能性対策は、ますます増加する私たちのエネルギーに電力を供給するバッテリー技術を導くことができます。