2020年6月26日
作成者：ZEUS Battery Products チーフテクノロジエンジニア Peter Foret
エネルギー貯蔵は、需要に応じて電気エネルギーを放出することができるため、世界経済にとって重要な役割を果たしています。
電池は、発電機や電力網システムが開発される前の19世紀初頭に、電気の主要な供給源として利用できるようになっていました。電池技術の向上により、電信や電話の使用などの進歩が可能になり、最終的にはポータブルコンピュータ、携帯電話、電気自動車、その他多くの電気機器につながっていきました。
過去数世紀にわたって、そして特にこの数十年の間に、電池は電池容量、効率、利用可能なサイズの面で飛躍的な進歩を遂げてきました。
モビリティ機器や資材運搬車の他にも、家庭用、商業用、産業用アプリケーションでのエネルギー貯蔵は、電池の需要が増え続ける背景にある重要な推進力の1つです。
今日、家庭用および商業用のエネルギー貯蔵には、鉛蓄電池とリン酸鉄リチウム蓄電池の2つの最も一般的な電池タイプが利用されています。
SLA蓄電池とLFP蓄電池の比較
リチウムは、優れた電気化学的性質を持つ周期表の元素です。最も軽い金属の一つであることに加えて、その特性の1つは、小さな体積で比較的高い電圧を発生させることができることです。リチウムベースの電池は、鉛蓄電池よりも高速で充放電が可能です。
密閉型鉛（SLA）蓄電池は、その低コストのために市場を支配してきました。リン酸鉄リチウム（LFP）蓄電池は、過去10年間で人気が高まり、鉛蓄電池とリン酸鉄リチウム蓄電池が住宅用および商業用のエネルギー貯蔵アプリケーションで使用される主要な電池となっています。
異なる化学物質を使用する以外にも、SLAとLFPの蓄電池は、所有コストと性能の点で異なります。
SLA（密閉型鉛）蓄電池
鉛蓄電池は100年以上も前から存在しています。それらはエネルギー単位またはWh（ワット時）あたりのコストが最も低い電池の1つです。生産されている鉛蓄電池の2つの主要なタイプは、FLA（Flooded Lead Acid）とSLA(Sealed Lead Acid）です。SLA蓄電池は、VRLA（Valve Regulated Lead Acid）またはAGM（Absorbed Glass Matt）蓄電池と呼ばれることもあります。
SLA蓄電池には、AGM（吸収性ガラスマット） とゲルの2つの基本構成があります。ゲル蓄電池はAGMよりも充電と放電の速度が遅いため、充電に時間がかかり、また同等のAGM蓄電池ほど高い出力電力を提供できません。2つのSLAタイプのいずれもメンテナンスをほとんど、またはまったく必要とせず、防滴です。直立して取り付ける必要のあるFLA（液式）蓄電池とは異なりSLA蓄電池はほぼ、どんな取付け位置でも動作します。
https://www.digikey.jp/ja/product-highlight/z/zeus-battery-products/sealed-lead-acid-batteries
LFP（リン酸鉄リチウム）蓄電池
LiFePO4は天然に存在する鉱物です。リン酸鉄リチウム（LFP）蓄電池は、1990年代にTexas大学のJohn B. Goodenough氏の研究グループが、リチウムイオンの電極間の移動を利用し正極材料として使用したことから、リン酸鉄リチウム（LFP）蓄電池が注目されるようになったリチウムイオン電池の一種です。
低コスト、無毒性、鉄の天然存在比、優れた熱安定性、安全特性、および電気化学的性能により、このタイプの電池は、発売以来、かなりの市場で受け入れられてきました。 このタイプの電池は、1990年代後半から市販されています。
電池の特徴と性能要因
エネルギー効率
電池の効率は、電池を選択する際に重要な指標となります。充電式電池は、充電中にエネルギーを吸収し、放電中にエネルギーを供給しますが、その間にいくらかの損失が発生します。エネルギーの一部は電気化学変換によって失われ、一部は電池の内部インピーダンスによって失われます。
電池の全体的なエネルギー効率は、充電中に電池に入るエネルギーに対する放電中に電池から取り出すことができるエネルギーの比率です。
SLA蓄電池の充電効率は85%から90%であり、同等のLFP蓄電池は充電速度に応じて92%から100%の充電効率を実現します。充電速度が速くなればなるほど、電池は化学物質に関係なく効率が悪くなります。
SLA蓄電池の放電効率は50%から99%であり、同等のLFP蓄電池は放電速度に応じて92%から100%の放電効率を提供します。放電速度が速くなればなるほど、電池は化学物質に関係なく効率が悪くなります。
SLA蓄電池の典型的な全体のエネルギー効率 （充電および放電の総合効率）は約70%であるのに対し、LFP蓄電池は約95%の領域にあります。
効率の良い電池は、充電も速くなります。設置したソーラーパネルシステムに関しては、使用するソーラーパネルの数を少なく、バックアップ用の発電機を比較的小さく、電池容量を少なくできます。
放電深度（DoD）
電池の放電深度とは、安全に消費できるエネルギーの割合を示す指標であり、言い換えれば、電池の充電が必要になる前に安全に放電できる電池の総容量の割合を指します。
SLA蓄電池もLFP蓄電池も100%まで放電可能です。DoDが高くなればなるほど、電池の寿命は化学物質に関係なく短くなります。
一例として、典型的な50％DoDアプリケーションでは、SLA電池は約500回の充放電サイクルが可能であり、LFP電池では3500回近くの充放電サイクルが可能です。
充電と放電の速度
電池の充放電速度は、Cレートで決まります。
電池の容量は一般的に1Cと決められており、1Ah定格の完全に充電された電池は、1Aを1時間供給します。C/2（0.5C）で放電する同じ電池は、0.5Aを2時間供給し、2Cでは2Aを30分供給します。0.5Cまたは（C/2）の充電率を使用する同じ電池は、理論的には0.5A充電電流を使用して完全に充電するのに2時間かかります。
SLA蓄電池は、最大0.3Cの充電率に安全に対応できますが、通常の充電率は0.1Cです。 通常のLFP蓄電池の充電率は1Cで、ピーク充電率は10Cです。
高いCレートで充電できることと充電効率により、LFP蓄電池は1時間未満で完全に充電できますが、通常のSLA蓄電池は完全に充電されるまでに10時間以上かかります。
容量、エネルギー密度、比エネルギー
容量または公称容量（特定のCレートの場合のAh）とは、電池が特定の放電電流（Cレートとして指定されている）で100パーセントの充電状態から遮断電圧まで放電されたときに利用可能な総アンペア時間です。容量は、放電電流（単位：Amps）に放電時間（単位：時間）を乗じて計算され、Cレートが高くなるにつれて減少します。
エネルギー密度（Wh/L）は、単位容積あたりの公称電池エネルギーで、容積エネルギー密度と呼ばれることもあります。このエネルギーは、電池の化学物質とパッケージングの特性で決まります。高エネルギー密度の電池は、低エネルギー密度の電池よりも容積が小さくなります。高エネルギー密度の電池は低エネルギー密度の電池より重量が小さくなります。従ってLFP蓄電池は同等のSLA蓄電池より 70% も容積を小さくすることができます。平均 のSLAエネルギー密度は、 LFPが250Wh/Lであるのに対し80Wh/Lです。
比エネルギー（Wh/kg）は、単位質量あたりの公称電池エネルギーで、質量エネルギー密度と呼ばれることもあります。このエネルギーは、電池の化学物質とパッケージの特性で決まります。高い比エネルギーを持つ電池は、低い比エネルギーを持つ電池よりも重量が少なく、したがって、LFP蓄電池は、同様のSLA蓄電池よりも重量が55%少なくなります。平均的なSLAの比エネルギーは45Wh/kgであり、LFPは140Wh/kgです。
所有コスト
SLA蓄電池は、同等のLFP蓄電池よりも初期費用が低いものの、使用可能な寿命が非常に短いため、LFP蓄電池よりも頻繁に交換する必要があります。
あらゆるタイプの充電式電池は、時間の経過とともに老化し、元の容量を失います。充電式電池の寿命は、充放電サイクル数で測定されます。一般的に、サイクル寿命とは、電池の元の容量が80%に落ちるまでの、電池がサポートすることができる完全な充放電サイクルの数です。この時点では、電池は目に見えて性能が低下しています。
SLA蓄電池とLFP蓄電池のサイクル寿命は大きく違います。比較のために、典型的な SLA蓄電池では元の容量が 80%以下に落ちる前に 、80%のDoD（Depth of Discharge）では300以下のサイクルしか達成できませんが、LFP蓄電池では同じ 80%のDoDの使用法で2000のサイクルを達成します。
リン酸鉄リチウム（LFP）蓄電池は、SLA蓄電池よりも長期的に低い所有コストを実現します。今日のLFP蓄電池の平均的な初期費用は同等のSLA蓄電池の約3.5倍ですが、7倍の長寿命です。
安全性
SLA蓄電池もLFP蓄電池も、どちらも安全に使用できるように設計されており、環境にも配慮されています。しかし、どちらのタイプの電池も内部で過熱して電解液が漏れてしまう可能性があります。
LFP蓄電池は、内部でセルが過熱することがあります。過熱が発生した場合には、充電システムや負荷から電池を遮断する内蔵保護機能を利用して、重要な対策を講じています。LFP蓄電池は、過充電、過電流、短絡保護などの安全機能を内蔵しており、SLA蓄電池よりも本質的に安全な電池となっています。
環境保護
SLA蓄電池は、環境にも人間にも非常に有害な鉛が大量に含まれているため、LFP蓄電池に比べて環境に優しい電池ではありません。
SLA蓄電池には、同等のLFP蓄電池よりも多くの原材料が含まれているため、原材料の処理中に環境への影響が大きくなります。鉛材料の処理は、LFP蓄電池で使用される同等の材料よりも大きなエネルギーを使用します。
このように、LFP蓄電池は二酸化炭素排出量が少なく、電池内に含まれる材料は環境に負荷を与えることなく、再利用や回収が可能です。
今日では、SLA蓄電池リサイクルプログラムにより、このタイプの電池は以前よりも環境に優しいものとなっています。
SLA蓄電池を使用する場合とLFP蓄電池を使用する場合
商用および家庭用電池バックアップシステムは、従来のガスまたはガソリンによるバックアップ発電機に代わるコスト効率の高い代替手段です。
SLA蓄電池は、火災および安全警報システム、オフグリッドソーラー、UPSなどで頻繁にはバックアップを提供しないシナリオに最適です。SLAは、RV、ボート、排水ポンプなどのバックアップ電源として最適です。これらの電池は、ほとんどはスタンバイモードです。
一方、LFP（Lithium Iron Phosphate）蓄電池は、SLA（Sealed Lead Acid）蓄電池に比べて多くの利点があります。 LFP蓄電池は、同等のSLA蓄電池よりも7倍長い寿命があり、より効率的で環境に優しいものです。 LFP蓄電池は、SLA蓄電池よりも非常に迅速に充電し、より大きい放電深度で放電することもできます。 LFP蓄電池の重量は、同等のSLA蓄電池の約45%です。
LFP蓄電池の急速充電機能、軽量、および長寿命により、倉庫ロボット、AVG / UVG、資材運搬車、フロアクリーナおよびスクラバ、車椅子、スクーターなどの可動アプリケーションに最適です。
最終コメント
密閉型鉛（SLA）蓄電池は成熟した技術であり、長い間使用されてきました。 これらは手頃な価格のオプションであり、初期費用が低く、スタンバイ用途のような使用頻度の低いアプリケーションでメリットがあります。
リン酸鉄リチウム（LFP）蓄電池は、SLA蓄電池よりも長期的に低い所有コストを実現します。初期費用は同等のSLAの約3.5倍ですが、サイクル寿命は7倍と長くなっています。LFP技術は、SLAが70%以下の効率であるのに対し、100%に近い充放電エネルギー効率を実現します。
ZEUS Battery Productsは、既製品または用途別構成のSLA蓄電池およびLFP蓄電池を製造しています。ZEUSチームは、設計レビューの過程で、ユーザーの用途に基づいた専門的な推奨事項を提供しています。
David_1528 Applications Engineer
低温（氷点下から-40°Cまで）の条件でどのように違いますか？
PeterForet Verified Supplier Rep
Davidさん、こんにちは。
いずれのタイプの電池も-20℃まで安全に放電できるように仕様化されています。
低温は電池の内部抵抗に影響を与え、容量を低下させます。SLA蓄電池は-20°Cで50%の容量を提供できます。どの SLA蓄電池でも-40°Cである程度の放電が可能ですが、性能に一貫性がないため、-20°C未満でのSLA蓄電池の使用はお勧めしません。
David_1528 Applications Engineer
SLA蓄電池では-20°Cで容量が50%まで低下することはわかりました。では、LFPの容量も同様に低下しますか、それとも良くなったり、悪くなったりしますか？
PeterForet Verified Supplier Rep
Davidさん、こんにちは。
はい、-20℃でのドロップはどちらの化学物質でもほぼ同じです。
用途は何ですか？
David_1528 Applications Engineer
お客様のニーズが何であれ 、予測可能なアプリケーションを最適にサポートする方法を知りたいだけです。
PeterForet Verified Supplier Rep
お役に立てて光栄です。