バッテリの高出力とはどういう意味ですか？

Question

バッテリの資料を読むと「リチウム電池はエネルギー密度が大きいため高出力である。」とか「リチウム電池、ニッケル水素電池はニッカドバッテリに比べ高出力でなく効率が悪い」などと書いています。
・バッテリが高出力というのは数秒間に流せる電流が大きいと言うことなのでしょうか？それとも、定格電圧を保ち続けれると言うことなのでしょうか？

・高出力とはいったいバッテリのどのような特性で決まるのですか？
重量エネルギー密度が大きいものですか？それとも体積エネルギー密度が大きいものですか？
縦軸　重量エネルギー密度　　横軸に体積エネルギー密度の書いたグラフがあり各バッテリの種類が書かれたものがあるのですがなにが言いたいのかよく分かりません。御教示願います。

私も理解して今いため質問内容がわかり辛いと思いますがよろしくお願いします。

chan008 · Accepted Answer

補足への回答です。

参考にされた内容が、ちょっと古い一昔前のものかもしれませんね。
たしかに、リチウム電池が出始めのころは、容量はそれほど大きくなく、
電圧もニッカドほど安定性がよくありませんでした。
しかし、最近はリチウム電池の性能向上はめざましいものがありますので、
ほぼ、解決されたといってもよいでしょう。
リチウムは動作電圧が高く、同じサイズならニッカドよりも高容量になるため、以前は、カメラ、携帯など小型機器での用途に大変重宝されていましたが、
電圧が安定しない、高価、という理由で、出力の大きいものが必要となるものはまだまだリチウムは不十分でした。
しかし、最近はかつてニッカドが活躍していた場面でリチウムが使われ始めています。
一番よい例は、電動自転車です。
出始めのころはニッカドでしたが、最近は大容量のリチウム電池が開発されて、
軽量・小型、かつ、ニッカドみたいにメモリ効果が無い、ということで、飛躍的な発展になっています。

なお、電位の安定性の問題ですが、
充電・放電時に起こる化学反応の電位が電池の電位になります。
ニッカドの場合、電極反応は比較的同じ電位で最初から最後まで進行しますが、
リチウムの場合、最初と最後でリチウムイオンの電極中の移動の電位が変化してしまうため、
電位は一定でなくなってしまいます。
ただし、これは高容量化することで、実際の使用には無視できる程度にまで改良されています。

chan008 · Answer

・「リチウムは電極中の移動の電位が変化する」「ニッカドは電極反応は比較的同じ」とありますが技術的な内容をご教示願えないでしょうか？この1文だけで他人に納得させることが出来ないのでお願いします。 

文章だけで説明するのは難しいのですが・・。
電池は、電極での化学反応（半電池反応といいます）を基本としています。
基本の反応はゆえにひとつのみです。
ところが、実際の電池においては、そんな単純にはいきません。
性能を左右する他の因子が多々あります。（だから、技術屋さんは食べていけるんですね！）
電極材料の性質に影響されたり、別の不可逆反応がどうしてもおこったりとか。
リチウムの場合は、リチウムイオンが電極間を移動するのが基本の反応で、その移動の反応式はひとつでかけますが、実際には、その移動を妨げる要因がたくさんあるんですね。
自動車を道路で走っていると、平坦な道路はずっと同じ速度で走れますけど、
途中で信号にトラップされたり、坂道や狭い道では速度は減少しますね？
リチウムが自動車、電極ー電解液が道路と思ってください。
具体的にどういうとラップが、というと、それは非常に難しく、ちょっとここでは説明不能、というか、よくわかっていない点もたくさんありますので・・。
ニッカドも同じことが言えます。しかし、ニッカドはリチウムに比べると、比較的完成された技術です。ですから、現在では電池の充放電が最初から最後まで一様に起こるように「実用上」評価できます。メモリ効果とか、毒性のカドミウムを使うという避けられない欠点さえなければ、もっともっと活躍できるんですけどね。リチウムも、現在でも研究が盛んですから、いずれは、もっと高性能になって、気にしないで使える日が来ると思います。

・同じ電圧、同じ容量でモータ等の重負荷をかけた時、電圧がどの程度、落ちるのかリチウムとニッカドとニッケル水素と鉛の4つを比較したいのですがそのようなデータもしくは技術的な面からこのようになると想像できるという資料をお持ちではないでしょうか？

それは、個別の負荷機器に依存すると思います。どの程度の出力が必要で、どの程度の大きさ、重量、価格が許されるかに依存すると思います。単位重量あたりの出力は、一般的には、現状ではリチウムを使うとどれも無難な高性能を発揮できると思います。その次がニッケル水素。続いてニッカド、鉛です。じゃぁ、どんな機器もリチウムを使えばいいじゃん、とお思いかもしれませんが、基礎研究と違って、商品とする場合は価格が非常に重要なのです。鉛蓄電池のコストパフォーマンスは他の比ではありませんので、自動車にリチウムは使われないことがお分かりいただけるかと思います。ちなみに、電気自動車、ハイブリット車では鉛蓄電池では全然出力が足りないので、将来的にはリチウムを使おうと努力していますが。個別のデータはその機器を開発しているメーカが持っているかもしれませんが、一般的に公開になっている例については私は残念ながら知りません。求める機器の会社のホームページなどで、技術レポートなんかをさがしてみてはいかがでしょう？
 
・この質問ない異なるのですが、リチウムは容量の残量を簡単に示すことができるといわれます。なぜ、ニッカド、鉛、に比べ容易にわかるのですか？ 

明確な回答は私は存じていないのですが、リチウム電池はメモリ効果がないため、フル充電容量を毎回いちいち計測しなくても、最初から目安として設定できますから、使用電力（これはすぐわかる）を測定することで、フル充電量から差し引くと残りの量が常にわかる、ということではないでしょうか？
他の電池はメモリ効果があって、フル充電量は使用しながら常に減少してきますから、残量を正確には把握しにくいのだと思います。

次回は、補足ではなく、別質問にしてくださいね。
他にも詳しい方がいるかもしれないし・・。

chan008 · Answer

出力については、たとえば、水道の蛇口を考えてみてください。
全開にすると、大量の水が流れるでしょう？これは出力が大きいと言えるでしょう。
ちょろちょろと流すと、少ししか流れませんね？これは低出力といえますね。

・数秒間（一定時間に）に流せる電流が大きい・・・これは「出力」が大きいと言えます。
・定格電圧を保ち続けれる・・・これは、「容量」の問題です。

出力・容量のほかにも、「何回充放電できるか＝寿命」「動作電圧」などの性能因子があります。
これらは、それぞれの電池の仕組みによって影響されます。

さて、それらの性能全部において優れている電池はありません。それぞれ得意・不得意があります。容量がひたすら大きくても、１回しか寿命がなければあまりいいことありませんよね？一方を良くするともう一方が悪くなる、ということは電池に限ったことでは無いでしょう？

ということで、電池のトータルの性能を示す指標のひとつとして、「出力密度」「エネルギー密度」と言うのがよく使われます。
前者は、単位あたりの出力、後者は、単位あたりの容量で、縦横軸にプロットして、互いに比較し電池の性能を示したりします。
これらは、自動車・パソコンなど、定められたサイズや重量でいかに高性能な電池を必要とするか、と言う単位重量・体積あたりの高容量・出力を重要視する用途において評価される場面でよく用いられています。

「リチウム電池はエネルギー密度が大きいため高出力である。」というのは、イマイチよくわかりません。たしかにリチウム電池は他の電池と比べてエネルギー密度・出力とも二優れていますが、密度が大きいことが高出力の条件とは必ずしも限りません。タンクが大きくても、蛇口が絞られていたら、高出力では無いでしょう？前後の文面を見なければわかりませんが、おそらく、何かと比較してのことだと思います。
「リチウム電池、ニッケル水素電池はニッカドバッテリに比べ高出力でなく効率が悪い」というのは、たぶん逆だと思います。

一般に、高出力を実現するためには、「大きなタンクから蛇口を目いっぱい開けて出す」のがいいですよね？ですから、電池においても同じように、容量が大きいものから一気に充電・放電できれば高出力と言えます。もちろん、重さや体積が小さいほど、単位あたりの出力は大きくなりますね。
容量を大きくするには、電気をたくさん蓄えればよいわけです。すなわち、電気を運ぶ物質（活物質といいます）をたくさん詰め込む電極を用意するのがいいわけです。
出力を大きくするには、電気を放出しやすくすればよいわけです。そこで、活物質の動き（化学反応ですね）を早くする必要があることになります。
結論として、より高出力である電池とは、たくさんの電荷を蓄える場所があり、その取り出しの化学反応が早い、ということになります。

バッテリの高出力とはどういう意味ですか？

補足への回答です。

・「リチウムは電極中の移動の電位が変化する」「ニッカドは電極反応は比較的同じ」とありますが技術的な内容をご教示願えないでしょうか？この1文だけで他人に納得させることが出来ないのでお願いします。

出力については、たとえば、水道の蛇口を考えてみてください。

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