なぜ自動車のバッテリーはまだ重いのですか？

私が子供の頃、自動車のバッテリーは鉛と酸で満たされたプラスチックの巨大で重い塊でした。彼らはかつて携帯電話とほぼ同じくらいの重さでした（ちょっと誇張してありますが、申し訳ありません）。

45年後、自動車のバッテリーはまだ同じように見え、同じ重さです。

それでは、この現代と燃費の重視において、なぜバッテリーの重量がまだ40ポンドなのでしょうか？テクノロジーの進歩により、軽量化と効率化ができなかったのはなぜですか？

だから、今あなたの本当の質問に対するあなたの文字通りの質問への答えの後、あなたは悲しいことに尋ねなかった

バッテリー技術は、過去100年間でこれまでに動きました。鉛酸スターターバッテリーは1920年に自動車で一般的になり、鉛は本質的に毒であり、硫酸/鉛酸はそれほど危険ではありません。特に定期的に維持されない場合、低温で故障する傾向があり、生産するのに地獄のように明らかに安いにもかかわらず、古いバッテリーを取り戻すための法的要件を含むそれらの処理全体は悪夢でなければなりません。

電気自動車がそれらに基づいて何年も確実に運転できることを示した今、業界がラインを引いて、LiIonまたは古き良きNiCdまたはNiMHバッテリーのようなものに切り替えなかったのはなぜですか？

NiCdバッテリーは、鉛酸よりもエネルギー密度を除くすべての面で単純に劣っています。NiMHの方が優れていますが、はるかに高価であり、通常は放電率も高くなります（さらに高価にしない限り）。そして、まだ適切に廃棄するのはかなり難しい。

リチウム電池はそれほど扱いやすいものではありません。あらゆる種類の障害からそれらを保護する必要があり、それらのいくつかは非常に致命的です。リチウム電池を過熱しないでください。爆発します。そして、熱は、モータ室内の深刻な問題（公正で、バッテリーがしないで持ってそこにあるように、それはかなり便利です）。

主な理由は本当にコストです。私の最後の車、1999 Fiat Puntoのバッテリーは、最大100 Aを供給しました（実際の短絡電流を推定しようとしたとき、約43 Aでしたが、それでも大量です。たとえば、P = U・I = 12V・40A = 480W ）電流であり、公称容量は約30 Ahでした（エネルギーは12V・30Ah = 360Whです）。私は25ユーロかかりました。だから、大まかに推測すると、生産するのに10ユーロより安い。

それでは、大量生産され、それゆえ安価なリチウム電池タイプを取りましょう。多くのラップトップバッテリーパックを構成する一般的なラウンドセルは、約3Ah（11.1Wh）でそれぞれ約3ユーロ（実稼働では1ユーロ）で、一部で最大5A（トップ、長くはしない）を供給します。 3.7V。これは、これらの単一セルが18.5Wを供給できることを意味します。私のcheapoカーバッテリーの推定480Wに達するには、26個必要です。制御、充電、保護回路に費やしたユーロを、硬くて安全なものに包むために費やしたユーロ、およびリチウムの一部のレアメタル成分を生産するために必要なミネラルという事実を除いて、生産に26ユーロかかりましたバッテリーは現在安くなっていませんし、世界中の車にそれらを装備することは間違いなくその市場メカニズムをスピードアップするでしょう。

コストが容量に比例すると仮定します。26セルのリチウム電池のエネルギーは26・11.1Wh = 288.6Whです。したがって、鉛蓄電池と同じ360Whを実現するには、1.25倍にする必要があります。

このようなセルの重量は約90gです。したがって、セルの重量は26・90 g = 2.34 kgです。わかりました。頭に安い車のバッテリーの正確な重量はありませんが、15 kgだったとしましょう。そのため、ケーシングと電子機器が軽量の場合、重量を約6.3倍節約しました（そうではありません-私が知る限り、これらを使用して効率的に充電できるようにするには、大きなスイッチモード電源が必要です）あなたの車の発電機、そしてそれらは主にかなりかさばる銅のコイルで構成されており、おそらく軽量ではないフェライトコアもあります。

これにより、コンポーネントAとコンポーネントBの間のコストファクターは約3.5になりますが、取り扱い上の欠点、信頼性の低下、サプライチェーンの変更が伴います。自動車産業がその方向に進んでいないのも不思議ではありません。（そして、ところで、彼らは素晴らしいロビー活動をしています。）

だから、最初の明白な答え：

バッテリーの重量がまだ20kgなのはなぜですか？

まだ同じ鉛蓄電池だからです。そのような単純な。アンペアあたりの低コスト（およびアンペア時間）、信頼性、取り扱いの容易さに近い他の技術はありませんでした。20kgはそれほど重くありません。「燃費」とは、平均的な新車が数十キロの「快適」機能を搭載していることを意味し、金属部品だけで約1Mgの重さです。

45年後、自動車のバッテリーはまだ同じように見え、同じ重さです。

45？120年に近い…でもそうです。私たちは今でも鋼鉄で橋を架けており、コンクリートは良くなっていますが、本質的にコンクリートであり、アスファルトを道路に使用しています。銅は今でも私たちのお気に入りの導体です。バイポーラトランジスタベースのクラスA / Bアンプであり、当社の冷蔵庫は依然として熱輸送のより効率的な手段ではなく、多少危険な流体を圧縮することに基づいています。

最新のバッテリーは、従来のものよりもはるかに軽く、車両の寿命にわたってコストが安くなります。しかし、彼らはLA（鉛酸）化学を使用しません。

LiFePO4（リチウムフェロフォスフェート）バッテリーは、許容されるライフコスト全体で必要なことを行いますが、初期資本コストが高くなります。これは自動車メーカーにとって魅力的ではありません。

初期資本コストが低いことが、LiFeO4よりも鉛酸を好む主な理由であると思われ、他に本当に良い理由があるかどうかは明らかではありません。

サイクル寿命は鉛酸のサイクル寿命よりもはるかに長いため、寿命コスト全体が鉛酸よりも低くなります。

LiIon（リチウムイオン）とは異なり、「心臓を突き刺す」ことはLiIonの問題を引き起こしません。

充電制御は「簡単」です。

鉛酸と比較して：

許容放電深度、および最大許容充電率はより高く、

温度範囲が良い

充電効率が向上します。

自己放電性能が優れています。

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リチウムイオン/リチウムイオン：

LiIonバッテリーは、安全性に関して「悪い報道」を受けることが多いため、コメントする価値があります。

鉛酸と比較して、LiIonケミストリーは、質量とエネルギー密度が大幅に向上（軽量化と小型化）、サイクル寿命がやや長く、資本コストが高く、おそらくライフコスト全体がいくらか優れています。適切に管理された充電制御は簡単です。温度範囲はより良く、充電/放電効率はいくらか優れています。安全性に関する欠点はほとんど問題ではありません-以下を参照してください。

多くのアプリケーションで、LiIonバッテリーは、ドリームライナーからサムスンの携帯電話、「ホバーボード」、マーズローバー、ラップトップ、スマートフォン、MP3プレーヤーなど、最適なバッテリーです。上記の最初の3つのアプリケーションは、既知の壮大な失敗のために選択されました。しかし、火星探査機で使用されるものはすべて、長寿命で敵対的な環境での適合性のために選択され、タスクを失敗してはなりません。そして、人々のポケットや家、車などで日常的に使用されているリチウムイオン電池は数億個あります。

LiIonバッテリーが故障する可能性がある方法を考えると、壮大な方法で故障する数は非常にまれです。広く報告されている障害は、非常に多くの場合、大量に生産または配布されているバッテリーのバッチまたはモデルに影響を与えるいくつかのシステム障害、または低容量の高プロファイルアプリケーションが原因です。そのような場合、設計または製造上の欠陥、または欠陥が原因であるか、LiIonケミストリーの容赦ない動作によって結果が悪化する障害を許可します。

例は、過去のアップルのラップトップ、サムスンの携帯電話、自己バランスのとれた「ホバーボード」などでよく知られている「炎の噴出」イベントです。最初の2つの例では、通常、有能な製造業者は、設計上の欠陥が、安全マージンが追いつくほど製造上の修正されていない、または見過ごされている、または切り取られたコーナーに存在することを許可しました。「ホバーボード」の場合、その原因は私にはわかりませんが、低品質の低コストの製造と他の何よりも不十分な充電制御になりがちです。消費者向け機器では、LiIonバッテリの障害は、不適切なクリアランスとその結果としての衝撃感度、または統計的製造公差変動の遠端に起因するセルの短絡に起因することがよくあります。

ボーイングドリームライナーのバッテリー障害の場合、最終的な根本原因レポートは見ませんでしたが、非常に小さな製品ボリュームで多数の十分に公表された障害（およびおそらく未公開の障害）が発生しました。 。

LiIonの故障とモードと結果の詳細な調査は、それらが一般的な「神話」が示唆するほど暴力的ではないことをほぼ常に示し、エネルギー放出が相当であるが、エンジニアリングの観点では封じ込めが比較的容易であることを示しています。封じ込めは、重量と体積、コストを追加し、ラップトップやポケット/ポータブルデバイスで発見されることはありません。Dreamlinersに搭載されており、自動車の単一バッテリー（EV以外）のアプリケーションで簡単に使用でき、重量と体積を鉛酸レベルよりもはるかに低く、追加コストを抑えます。電気自動車のアプリケーションでは、問題は「十分に」解決または解決されているようです。私は車両安全規制分野の専門知識を持っています。しかし、壮大なクラッシュダミー映像をもたらし、乗用車での高揮発性石油燃料のキャッティングを許可する規制は、LiIonの電源に関する安全性の問題にも対処していると確信しています。「テスラ」の車がバッテリーの故障で焼かれたということは聞いたことがない-それは起こったかもしれない-そして、私はマスクと共同が彼らがこのリスク領域を「十分に手に持っている」と信じていると想像する。

私は失望しましたが、LiIonの火炎付きベントイベントを見たことはなく、持っている人を個人的に知りません。発生は、NZのニュースを時折伝えるほど一般的です（NZの人口は500万人未満です）。

LiIon対LiFePO4：

LiFePO4のに比べて、リチウムイオンの化学申し出幾分良い（やや軽い＆小さい）質量とエネルギー密度は、実質上LOWERサイクル寿命、やや低い資本コスト（エネルギー当たりの容量）、および生活費の全部、実質的に劣ります。充電制御はほぼ同じですが、LiFePO4は限界的なケースでは損傷しにくいものです。温度範囲はそれほど良くなく、充電/放電効率はほぼ同じです。LiFePO4は安全性の問題をはるかに受けにくい。

最小のサイズと重量、および最小の資本コストが問題となる地域では（電気自動車の使用が良い例です）、LiIonはLiFePO4よりも優れています。

他のほとんどすべての分野とアプリケーションでは、LiFePO4はLiIonよりも優れているか、はるかに優れており、高エネルギーの長寿命、高サイクル数のエネルギー貯蔵に最適な現在のバッテリーテクノロジーと考えています。

リチウムスターターバッテリーは、主に軽量化または自慢する権利がコストに見合うレースまたはその他のパフォーマンスまたは高級アプリケーション向けに存在します。

しかし、他の人が指摘したように、アプリケーションの要求はかなり極端であり、リチウムテクノロジーは、自動車のスターター/アクセサリーバッテリーの役割を確実かつ安全に果たすために、多くの特別な開発と注意が必要です。価格は非常に高く、通常の鉛バッテリーの10〜20倍のコストです。ほとんどの人は車のバッテリーに1000ドルを払いたくないので、そうしません。

答えは非常に簡単です。これ以上良いものが見つからなかったからです。

自動車のバッテリーは、長期間にわたって充電を維持し、大きな電流を供給し、小さなスペースに収まることが必要です。そして、それはあまり高価ではない場合に役立ちます。

鉛酸は依然としてこれらの要件に最適なソリューションです。

リチウムベースの化学物質を使用できます。リチウムを使用すると、電荷を保持して大電流を流すことができます。また、はるかに高価で、温度に敏感で、電気的な注意が必要です。また、電気的または機械的に誤った取り扱いをすると、より壮観になります。
余分なコストと複雑さは、車の最終質量を1％未満削減するだけの価値はありません。

投稿の最後に新しい質問を追加したことがわかりました。

テクノロジーの進歩により、軽量化と効率化ができなかったのはなぜですか？

それは化学の仕組みではないからです。

単一タイプのバッテリーの容量は、保有するイオンの量によってほぼ定義されます。つまり、鉛蓄電池の場合、必要な鉛の質量に加えて、構造を損なわないために必要な鉛の量によって決まります。

現在、他の種類のバッテリーは、表面の欠如または高電流を供給するバッテリーの能力を制限する限られたイオン移動度に苦しんでいますが、鉛酸バッテリーの場合、それを増やすためにできることはあまりありません。含まれる化学物質、および鉛蓄電池の現在の調達能力は、ほぼ最大限です。

したがって、それは単に成熟したテクノロジーです。過去80年間で安価な建設用鋼をはるかに良くしなかったように、鉛酸の原理を放棄せずに鉛酸電池を改善するためにできることは多くありません。 。

スターターバッテリーとしてスーパーキャパシタを使用することは完全に実行可能であり、実際に愛好家によって試されました。例を参照してください。高い価格は別として、実際的な困難のいくつかの例が報告されています：

• スーパーキャップだけでも、鉛バッテリーよりも簡単に車を始動できますが、継続的に充電しないと、ラジオを聞いて約30分で放電します。
• 直接接続されたリチウム電池とスーパーキャップのコンボは、上記の影響を受けませんが、芝刈り機をジャンプスタートするために使用すると損傷しました-Li電池はこれを防ぐために余分な電子機器が必要になります。

主に1つの理由：価格。電気自動車で使用されるリチウムイオン電池のような技術的に優れた代替品がありますが、それらははるかに高価です。これらのバッテリーは、車両の重量を大幅に増やすことなく巨大な容量を必要とする電気自動車では絶対に必要です（自動車の唯一のエネルギー供給として燃料タンクを交換する必要がある場合、鉛バッテリーは重すぎます）。燃料動力車では、自動車の重量と比較して、モーターを始動するためだけに使用される単一の古典的な鉛バッテリーの重量は重要ではありませんが、価格/容量比は劇的に低くなります。これはコスト/効率の問題です。価格が安く、車のニーズに十分なエネルギーを提供し、重量は関係ありません。