電位差と電圧降下の違い【リチウムイオン電池関連の用語】

電位、電圧、電位差、電圧降下の違い【リチウムイオン電池関連の用語】

 

リチウムイオン電池は高電圧、高容量、高エネルギー密度、長寿命などのメリットがあるためスマホバッテリーや電気自動車搭載電池、家庭用蓄電池などの採用されています。

 

二次電池の中で性能を比較したとしても、個人で使用する場合や独立型電源(オフグリッド)などで使用する場合はリチウムイオン電池が最も適しているといえるでしょう。

 

ただ、リチウムイオン電池の課題としては、リチウムイオン電池の発火事故の急増などからわかるようにリチウムイオン電池の危険性(安全性)であるといえます。

 

IOT化が今後進むにつれ、リチウムイオン電池の重要性がより増す中で、リチウムイオン電池を始めとした電池関連用語の知識を得ることも重要といえます。

 

ここでは、電池関連用語の電位、電圧、電位差、電圧降下といった似たような用語について解説していきます。

 

 

・そもそも電位とは何か?

 

・電位と電圧の違いは?

 

・電位差と電圧降下の違いは?

 

というテーマで解説しています。

 

 

そもそも電位とは何か?

 

電位、電圧、電位差、電圧降下などの用語の違いについて解説する前に、これらの中でも最も基礎となる考え方の電位の定義について解説します。

 

以下、こちらのサイトの別記事の一部を引用いたします。

 

(※以下引用)

 

私たちが生活している中で、物が高い方から低い方へ移動することは簡単にイメージできるでしょう。

 

これは高い方が位置エネルギーが高く、エネルギーは高い方から低い方へ移動するために起こる現象です
(※位置エネルギーは高校物理の力学のページで解説しています)。

 

電気的な世界でも同様に考えることができ、+1Cの電荷の電気版の位置エネルギーが電位といえます。
また、+1Cの電荷の電気版の高さによるエネルギーとも言えます。

 

力学における位置エネルギーと照らし合わせて考えると、とてもイメージしやすいです。

 

力学では位置エネルギーは mgh [J]で表されましたが、電気版の位置エネルギーは qV [J]で表すことができます。

 

つまり質量m → 電荷qに対応し、重力加速度gと高さの積→ 電位に対応すると考えられます。

 

電位の定義は下図にも解説していますが、「ある点から基準点まで単位電荷(+1C)を動かした場合の外力つまり静電気力に逆らう仕事のこと」とも定義されています。

 

電位の定義式を拡張させ、電荷をqを含んだ式(①式)と電荷qが持つ静電気力による位置エネルギー(②式)という二通りのとらえ方ができ、両方は同じものを表しているということを頭に入れておきましょう!

 

 

 

(※引用終わり)

 

これが高校物理で考える際の電位の定義となります。

 

ただ、リチウムイオン電池などの分野において電位をシンプルに表現しますと、ある基準物質に対する電気的エネルギーの高さのことを表します。

 

特に、リチウムイオン電池であり、リチウム金属に対する電位でその大きさを表すことが多く、基本的に電位の大きさを ~V vs Li/Li+ といった表現方法します。

 

例えば、リチウムイオン電池における正極材や負極材を評価する方法に三電極法というものがあり、参照極にはリチウムを使用するため、正極材や負極剤の電位などを~V vs Li/Li+と表現します。

 

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電圧と電位、電位差の違いは?

 

まず、電圧のことを別名電位差といいます。つまり、電圧を電位差は同じといえます。そして、言葉の通り電位差は電位の差です。

 

上の図において、力学における低い地点と高い地点がありますよね。この時に、低い地点よりも低い場所にある基準があったとします。

 

この基準から見ると、低い地点は基準から A mとなり、同様に高い地点は基準から B mと表すことができます。

 

この基準からの高さh mのことが電気化学の分野では、電位差、つまり電圧になります。ここで、基準から各々の高さのことを電位とよびます。

 

そして、電気化学の場合は基準のことを基準電極と表現します。

 

通常リチウムイオン電池などにおいて電圧とは端子電圧のことを表し、端子電圧は正極電位と負極電位の差のことを表します。

 

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電位差と電圧降下の違いは?

 

電圧、電位差と似た言葉に電圧降下というものがあります。

 

電圧は電位の差のことでしたが、電圧降下はまったく別の現象といえます。電圧降下は、電池の内部抵抗と通電時の関係を表した現象のことを指します。

 

リチウムイオン電池をはじめとした電池の起電力 E = E0(理論起電力) - IR と表すことができます。
実際の起電力のことを別名作動電圧と呼び、起電力は理論起電力よりもIR分低くなります。

 

このIR分低くなる現象のことを電圧降下と呼び、Iは電流値、Rは電池の内部抵抗を表しています。

 

つまり、電流値が大きいほど、また電池の内部抵抗が小さいほど電圧降下は小さくなります。

 

ここで、内部抵抗は温度が上がるほど下がり、温度が下がるほど内部抵抗が下がります。

 

ちなみに金属の電気抵抗の温度依存性は逆であり、温度が高いほど電気抵抗も上がり、温度が低いほど電気抵抗は下がる傾向にあります。

 

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