なぜあなたの携帯電話のバッテリーはまだ不足しているのでしょうか?

最近の携帯電話の多くは、バッテリー容量が 4000mAh を超えており、より長持ちします (もちろん、一部の携帯電話の新しいチップは、電力節約にも大きく貢献しています)。しかし、携帯電話が軽いほど、使い心地は良くなります。さまざまなブランドのデザインコンセプトには、それぞれ独自の長所があります。

携帯電話は、初代モデルから今日のスマートフォンに至るまで、バッテリー容量の増加ではなく飛躍的な向上を遂げてきました。しかし、電池に対する不安は全く解消されていません。ますます進化するバッテリーが、バッテリー寿命に対する人々の高まる需要を満たせないのはなぜでしょうか?

携帯電話開発の歴史はバッテリー不安の歴史でもある

1973年、モトローラのアメリカ人エンジニア、マーティン・クーパーが世界初の本格的な携帯電話を発明しました。ただし、この携帯電話は 2 キログラムの重さがあるため、電話をかけるというよりは、ウェイトリフティングをしているような感じになります。

これまでのいわゆる「携帯電話」と比べると、クーパーの携帯電話の重量ははるかに軽い。ご存知のとおり、1950年代にスウェーデンのエリクソン社が製造した「携帯電話」は、電池だけで40キロ近くもあり、手で持つことはできませんでした。

10年後、私たちが知っている「ビッグ・ブラザー」が誕生しました。人類史上初の商用携帯電話であるため、重量は0.9キログラム近くと決して軽くはない。

「兄貴分」の巨大なボディの半分はバッテリーですが、そのバッテリー容量はわずか500mAhで、フル充電には10時間かかります。フル充電後、通話時間は30分のみで、まさに「2時間充電して5分通話」を実現しています。

「ビッグブラザー」に使用されている電池はニッケルカドミウム電池で、1980年代には非常に先進的でした。名前が示すように、ニッケルカドミウム電池は、一方の端にニッケル（正極、2NiOOH）、もう一方の端にカドミウム（負極、Cd）があります。バッテリー溶液は水酸化ナトリウム（NaOH）です。バッテリーが放電されると、負極のカドミウムが 2 つの OH- と反応して 2 つの電子を放出し、正極に 2 つの新しい OH- を形成して、バッテリー溶液の濃度が変化しないようにします。

▲ニッケルカドミウム電池の動作原理。グラフィック/張宇塵

第一世代の充電式鉛蓄電池（携帯電話には使われたことがない）と比較すると、ニッケルカドミウム電池はサイズが小さく、電流が大きく、問題なく500回充電・放電することができます。もちろん、バッテリーが熱くなりやすい、カドミウム元素が有毒、リサイクルが難しいなど、多くの欠点もありますが、これらの問題はどれもメモリ効果ほど深刻ではありません。

いわゆるメモリ効果とは、バッテリーが完全に放電される前に充電すると、バッテリーの容量が小さくなることを意味します。たとえば、バッテリー残量が 50% のときに頻繁に充電を開始すると、時間が経つにつれてバッテリーはバッテリーの最小電力が 50% であると「認識」します。

30 分間の通話しかサポートできない携帯電話の場合、メモリ効果は致命的であり、数万ドルの価値があるこの携帯電話を捨てたいと思うほど致命的です。記憶効果の影は、今日でも私たちに影響を及ぼしています。今日のリチウム電池を使用する場合、多くの人は、携帯電話を充電する前に電池を放電する方が良いと無意識に信じています（実際には、まったく逆です）。

1989 年になってようやく、新世代のニッケル水素電池が商品化され、メモリー効果による電力不足が軽減されました。 NiMH バッテリーは無毒で、メモリ効果はあるものの簡単に回復でき、容量も大きいです。1997 年に発売された NiMH バッテリーを搭載した携帯電話のバッテリー容量は 1300mAh でした。

しかし、NiMH バッテリーにも独自の問題があります。使用していないときは大量の熱を発生し、大量の電気を漏らします。携帯電話の電源をオフにしても、バッテリー切れを防ぐことはできません。そのため、携帯電話の電源であるリチウム電池が徐々に市販されるようになり、ニッケル水素電池も置き換えられてきました。

携帯電話のライト——リチウム電池

1991年にリチウムイオン電池、いわゆるリチウム電池が初めて商用化され、携帯電話はついに長持ちで安定した電池寿命を実現しました。リチウム電池のサポートがなければ、今日の強力な携帯電話やさまざまなアプリは存在しなかったと言えるでしょう。

リチウム電池はニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池とは異なります。後者の 2 つが充電および放電しているとき、電子と OH- が行き来しますが、ニッケルやその他の金属は静止しています。リチウム電池では、リチウムイオンと電子が行き来します。

現在一般的に使用されているリチウム電池を例に挙げましょう。負極は一般にグラファイトシート構造になっており、リチウム原子はこれらのシートの間に「挟まれて」います。正極は格子状の様々な種類の金属酸化物から成り、内部にリチウム原子が隠れていることもあります。この構造のバッテリーの充電と放電のプロセスは、実際にはリチウムイオンが「ケージ」から逃げてバッテリーの中央にあるダイヤフラムを通過し、電子がワイヤを通じて行き来することです。

▲ リチウム電池の動作原理。ここでの格子構造は説明のみを目的としています。異なる材料の格子構造は異なります。グラフィック/張宇塵

他の 2 種類の電池と比較すると、リチウム電池は容量が大きく、メモリ効果がなく、発生する熱も少なくなります。コストが高いこと以外に、欠点はほとんどありません。 1980 年代生まれの人たちが覚えている、超長時間バッテリー駆動の小型タブレット コンピューターは、すべてリチウム電池によって実現しました。

今日のリチウム電池の容量は、以前使用されていたリチウム電池に比べて数倍に増加していますが、この増加の速度は依然として時代のペースに追いついていません。

今日のスマートフォンは性能が進化しており、ほぼカメラ＋コンピューターの組み合わせとなっています。さまざまな大規模なソフトウェアやインスタントメッセージングソフトウェアは、大量の電力を消費します。大画面や120Hzの高解像度画面でも消費電力は増加します。その一方で、私たちは携帯電話を使う時間をますます長くしています。

リチウム電池をさらに開発して、より強力で長持ちさせることはできないのでしょうか?難しいですね！

リチウム電池の性能を向上させるには、リチウム原子の割合を増やすだけで済みます。現在、リチウムイオン電池におけるリチウム原子の割合は1%未満です。まだまだ改良の余地は大きいようですが、改良後の安全性は保証できません。ここでは具体的な例については詳しく説明しません。

過充電や過放電はリチウム電池の正極と負極の格子システムの破壊につながりやすく、膨張の原因となります。

では、リチウム電池はどのように充電するのでしょうか?

リチウム電池にはメモリ効果はありませんが、過放電や過充電の恐れがあります。過度の放電と充電により、一部のリチウム原子が正極と負極にしっかりと「押し込まれ」て逃げることができなくなり、バッテリー容量が低下します。そのため、リチウム電池は通常、残量が 20% になると充電でき、90% に達すると充電を停止できます。

しかし、最近の携帯電話に搭載されているリチウム電池にはすべて、過充電時に回路を遮断する保護回路が備わっています。ただし、夜間の充電は避けてください。

さらに、充電しながらモバイルゲームをプレイすると、バッテリーの温度が上昇し、寿命が短くなります。

バッテリーの不安はいつ解消されるのでしょうか？

バッテリーの不安を根本的に解決する唯一の方法は、バッテリーを改良することです。

科学者たちは今のところリチウム電池を諦めていない。シリコンとリチウム金属はどちらも負極の材料として有望だと考えられています。数年前、シンガポールの南洋理工大学の科学者たちはグラファイトを二酸化チタンゲルに置き換えることを試みたが、この改良によって充電速度が速くなっただけで、容量は増加しなかった。

硫黄を陽極とするリチウム硫黄電池は、短期的には最も成功する可能性が高い技術の 1 つです。しかし、リチウム硫黄電池では連続充電後に電解質が急速に劣化するという問題を解決することが困難です。

さらに、リチウム電池の電解質の代わりに固体物質を使用することも試みられており、穴が開いたり短絡したりするリスクはありません。しかし、固体と正極、負極との接触は液体ほど密接することができず、電気伝導性を向上させることが困難です。

リチウム電池に加えて、燃料電池も電池の将来に新たな可能性をもたらします。例えば、日本では現在、水素自動車が販売されていますが、このタイプのバッテリーが携帯電話に使用できるかどうかはまだ不明です。

バッテリー技術がまだ進歩していなかった頃は、広告のスローガン「5 分充電で 2 時間通話」のよ​​うに、急速充電によって私たちの不安の一部を解消することができました。当時、携帯電話の急速充電電力はわずか 20W でしたが、現在では携帯電話の充電器は 100W に達することがあります。

既存のバッテリー保護技術の条件下では、リチウムバッテリーへの急速充電による損傷は基本的に無視できます。実際、携帯電話のバッテリーが寿命を迎える前に、すでに新しいモデルの携帯電話の購入を検討していることも少なくありません。

もちろん、バッテリーの不安を解決する最も簡単で環境に優しい方法もあります。それは、携帯電話を置いて目を休めることです〜

出典: 中国科学院物理研究所 (ID: cas-iop)、中国ナショナルジオグラフィックブック

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