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バッテリーの容量・性能はムーアの法則みたいに発展

するのでしょうか。


40年前の充電バッテリーの容量は小さく、小さなラジコンカーを十数分間動かせる程度でした。
現代では0.数Wの空中線電力の携帯電話で数時間通話できるだけではなく、バッテリー式の耕運機さえできています。

この先バッテリーのエネルギー密度は、ムーアの法則のごとく拡大するのでしょうか。

投稿日時 - 2018-10-30 20:56:57

QNo.9552946

困ってます

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回答(5)

ANo.5

蓄電池の容量が何で決まるかを誰も説明できないようなので理論的な限界がどれくらいなのかを紹介します。

リチウムイオン電池の場合、充電された状態では負極にリチウムがいます。このリチウムが電解質を通って正極に移動するときに1個のリチウム原子が1個の電子吐き出すことで放電が起こります。

ある容積に含まれる原子の数は決まっているので、その容積からは、ある決まった数以上の電子を取り出すことはできません(1価のリチウムの場合は1個の原子で1個、2価のマグネシウムなら2個)。原子密度は1立方cmあたり10^23個程度なので、その原子の全てが1個の電子を吐き出したときの電荷の総量は1e23*1.6e-19 = 16000クーロンになります。

この電荷を1時間かけて外部に取り出したとすると、流れる電流は4400ミリアンペアになります。つまり、1立方cmの大きさの電池から取り出せる(充電できる)電流容量は4400 mAhが限界です。リチウムイオン電池の場合は起電力が3.7Vなので、体積エネルギー密度は1640 Wh/リットルが限界です。

もちろん正極材料を全てリチウムにすることはできませんし、電池の体積には正極材料以外の材料も含まれているので、現実にはそのエネルギー密度の半分くらいが限度になります。

現在の2次電池の体積エネルギー密度は600 Wh/リットル程度
https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/article/WORD/20130201/263771/
なので、現行の2倍程度の体積エネルギー密度(1000 Wh/リットル)が限度でしょう。10倍の容量などあり得ません。

リチウムは1価ですが2価のマグネシウムなどを使った2次電池なら、リチウムイオン電池の2倍の体積エネルギー密度が得られることになりますが、それでも高々2倍です。多価イオンは動きにくいなどの問題があるのでその2倍も怪しいです。

投稿日時 - 2018-11-01 05:11:52

お礼

>リチウムは1価ですが2価のマグネシウムなどを使った2次電池なら、リチウムイオン電池の2倍の体積エネルギー密度が得られることになりますが、それでも高々2倍です。多価イオンは動きにくいなどの問題があるのでその2倍も怪しいです

有難うございます。
化学的知識が非常に薄いので、理解ができていないことをお許しください。
ムーアの法則のようには無理でも、少しずつ発展していく可能性はあるのかもしれません。

昔と今を比べるなら、LEDが3mAで点灯するなど考えられませんでした。
デジタルIC(TTL)は動作していなくても電力を消費するものでした。
そんな時代と比較するものですから、隔世の感があります。

投稿日時 - 2018-11-01 21:41:22

ANo.4

ムーアの法則というのは情報容量の話です。
バッテリー容量というのはアナログのメーター上の数字であって、対象が違います。
もしバッテリーを二つに割ったら倍の電流が流れるみたいなことがあるなら細分化して細かくしていけばそりゃムーアの法則になるかもしれませんが、電磁気的にそんなことはあり得ないでしょう。

投稿日時 - 2018-10-31 09:24:26

ANo.3

過去も現在もしていませんから、今後も無理でしょう。
40年前でもニッカド電池でしょうから、今のニッカド電池と大差ありません。
ニッケル水素で少し良くなって、リチウムイオンでだいぶよくはなりましたが、ムーアの法則には及びもつきません。ムーアの法則は2年で倍くらいだったはずです。40年前のニッカドと今のニッカドだとせいぜい数割だし、リチウムイオンでも倍がやっとでしょう。また、半導体でもムーアの法則は崩れてます。もう、今はこれ以上細密化できない。分子数個のレベルになっちゃったから。
また、電波、電気だけの携帯と、モーターを回すものと一緒にしてはいけません。負荷は全然違います。

投稿日時 - 2018-10-31 07:16:35

ANo.2

しません。

バッテリーは電極の素材によって容量がほぼ決まってしまいます。
プラス極とマイナス極で使用する材料が違うのです。

同じ材料を使用した場合、使用する量が多いほど容量は増えます。

エネルギー密度が高い素材というのは扱いも難しくなり発火や爆発の危険性が増します。
いまバッテリーで使用されている素材でエネルギー密度が一番高いのはマグネシウムになるのかな?
マグネシウムというのは燃える金属として有名ですよね。大昔のカメラのストロボでも使用されていました。燃焼する際にものすごい光を出しますからね。
マグネシウムリボンを水に入れると爆発もしたはずです。

ということで、酸化(燃焼)する際に爆発するような物質ほどエネルギー密度が高いということになりますが、バッテリーとして使用するためには安定してエネルギーを取り出せるという条件が付きます。
放出エネルギーを抑制する方法が使用する素材ごとに異なります。だからムーアの法則みたいに単純ではない。

投稿日時 - 2018-10-31 06:50:55

ANo.1

半導体の微細化は連続的に進みますが、充電池の高密度化は、新しい原理の充電池が発明されないと進まないので、同じようには行かないでしょう。

投稿日時 - 2018-10-30 22:04:16