電池の充放電効率(クーロン効率)とは?

電池の充放電効率(クーロン効率)とは何?

 

こちらのページでは電池の基礎的な用語である

 

・充放電効率(クーロン効率)

 

について解説しています。

 

 

充放電効率(クーロン効率)とは?

 

電池は大きく分けて、化学電池、物理電池、生物電池に分類できます。

 

この中の化学電池はさらに

 

一度のみ使用できる一次電池
充電ができ、繰り返し使用できる二次電池
外部から燃料を供給することで発電を行う燃料電池
に分類できます。

 

この中の二次電池において、ある二次電池を所定の条件で充電し、次いで放電した場合の、充電時に充電された充電電気量に対する放電容量の比に100をかけ、百分率で表したもののことを充放電効率と呼びます。

 

別名、クーロン効率とも呼びます。

 

百分率のため単位は%です。

 

見やすいよう下図にまとめます。

 

 

充電時は充電容量と呼ばず、充電電気量と呼ぶことが一般的で、単位は主にmAhかAhを使用します。

 

また、放電時は放電容量、もしくは単に容量と呼ぶことが一般的で、単位は充電時同様mAhかAhを使用します。

 

具体的には充電を行う前に、ゆっくりと放電し(0.2C~1C程度)電池のSOCが0%になった状態から、
0.2C~1C程度で充電を行い、満充電(SOC100%)にし、同様に0.2C~1C程度で放電を行った結果から
充放電効率を算出します。

 

ここで評価を行う人にもよりますが、一般的にはすべての過程においてCレートを統一します。

 

充放電効率が高い電池ほど、充電で入ったもののすべてが放電に使用できるため、寿命が長い良い電池です。

 

 

 

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初回充放電効率とは?

 

電池の種類にもよりますが、リチウムイオン電池では充放電効率は95%以上であることが多く、他の種類の電池よりも長寿命である傾向にあります。

 

ただし、一般的なリチウムイオン電池(負極に黒鉛使用)において、初回時の充放電効率は2回目以降の充放電効率より下がる傾向にあります。

 

これは、初回充電時に黒鉛負極にLiイオンが挿入される時、黒鉛負極にLiイオンが挿入されたものの電位が、電解液の電位窓(分解されずに安定でいられる範囲)の範囲外となるため電解液が分解され、電解液とLiイオンの反応により、SEI(固体電解質相)と呼ばれる被膜を形成するためです。

 

(※SEIの詳細についてはこちらで解説しています。)

 

LiイオンがSEI生成に使用されるため、結果として放電できるLiイオンが少なくなり、初回時の充電電気量に比べて、初回放電容量は小さく、つまり充放電効率が小さくなるのです

 

(※SEIに使用される分の容量のことを戻らない容量であることから、不可逆容量と呼び、これが小さいほど充放電効率を高められます)。

 

 

 

 

また、電位的に電解液の電位窓の範囲内である負極のチタン酸リチウムを使用している電池のように、負極での不可逆容量がほとんどないものもあります。

 

なお、クーロン効率(充放電効率)と似た言葉に電流効率と呼ばれるものがありますが、別物ですので気を付けて使用しましょう。

 

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