冬の寒い環境では、バッテリー内の化学反応が鈍化し、電解液の性能が変化することは誰もが知っています。これはバッテリーの放電容量とエネルギー貯蔵容量に影響を与えます。しかし、なぜリチウムバッテリーは冬に性能が低下するのでしょうか？そして、寒い天候でもリチウムバッテリーを効率的に動作させるにはどうすればよいでしょうか？
リチウム電池が低温の影響を受けるのはなぜですか?
低温下では、リチウムイオン電池の性能は著しく低下します。これは、低温によって電気化学反応速度が低下し、リチウムイオンの移動が阻害されるためです。気温が15℃を下回ると、電解液の粘度が急激に上昇します。
この変化は、電解質中のリチウムイオン伝導性が低下するために起こります。低温では分子運動が遅くなり、電解質の伝導性は室温のほんの一部にまで低下します。その結果、バッテリーの内部抵抗が大幅に増加し、-20℃では通常の3倍以上になることがあります。
現在、最も効果的で直接的な解決策は、ポケットの中のスマートフォンであれ、ガレージの中の電気自動車 (EV) であれ、バッテリーを暖かく保つことです。
寒い天候におけるリチウム電池の一般的な問題
冬季には、 EVの航続距離が最大55%低下し、スマートフォンは充電量が30%と表示されているにもかかわらず突然シャットダウンすることがあります。これらの問題は、リチウムイオン電池が温度に敏感であることに起因しています。
EVの航続距離の短縮
温度が10℃下がるごとに、リチウム電池の容量は10～20%減少する可能性があります。低温では電解質が厚くなり、イオンの移動が阻害されます（高速道路にバリケードを設置するのと同じ）。その結果、リチウムイオンの移動速度が遅くなり、利用可能なエネルギーが減少します。
充電時間が長い
低温も充電速度を低下させます。0℃では、リチウムイオンの移動速度は通常の5分の1に低下し、SEI（固体電解質界面）抵抗は3倍に増加するため、 バッテリー管理システム（BMS）は充電電流を制限せざるを得なくなります。
さらに悪いことに、「充電不完全」が発生する場合があります。これは、デバイスの充電容量が100%と表示されているにもかかわらず、実際に使用可能な容量が80%しかない状態です。これは、低温下で一部のリチウムイオンがアノード構造に埋め込まれないために発生します。
デバイスのシャットダウンまたは起動の失敗
スマートフォンやEVが-10℃～-20℃で突然シャットダウンするのは、バッテリーの自己保護機能の一種です。カメラやヒーターなどの高電力機能を使用すると、電圧がカットオフ限界まで急激に低下する可能性があります。
-20℃では、スマートフォンが自動的にシャットダウンすることがあります。-10℃では、電源はオンのままですが、20℃のときよりも1.7倍速く電力を消費します。EVはバッテリーパックが大きく熱容量が大きいため、より長時間稼働できますが、-25℃以下ではシャットダウンすることが多く、表示されるバッテリー残量も不正確になる可能性があります。
暖かい環境に移動すると、バッテリーは見かけの容量の30～50%まで回復することがよくあります。EVユーザーには「 20%ルール」が推奨されます。バッテリー残量が20%を下回ったら充電することで、突然の電圧低下による立ち往生を防ぐことができます。
不適切な充電による損傷
リチウム電池を0℃以下で充電することは、最も危険なミスです。金属リチウムめっきが発生し、針状の構造（デンドライト）が形成されてセパレーターを突き破り、内部短絡や発火、爆発を引き起こす可能性があります。
デバイスによって防寒対策のレベルは異なります。EVは通常、充電前にバッテリー温度を0℃以上に上げる予熱システムを備えています。しかし、電動自転車やスマートフォンにはコストの問題からそのようなシステムが搭載されておらず、手動での温度管理が不可欠です。
冬にリチウム電池を正しく使用するための重要なヒント
冬季におけるリチウム電池の保護には、温度管理、適切な充放電、そしてスマートな保管という3つの側面から対策を講じる必要があります。適切な取り扱いをすることで、寒さによる悪影響を50%以上軽減できます。実際、保護されたリチウム電池は、-10℃の環境下でも、保護されていない電池に比べて最大2.3倍長持ちします。
最適な温度を維持する
リチウム電池の電気化学的活性は15℃～25℃でピークに達します。デバイスはこの温度範囲内に保つようにしてください。
電気自動車の場合、BMSはバッテリーを予熱することができます。出発15分前に予熱をスケジュール設定することで、バッテリー温度を-10℃から10℃まで上昇させ、初期の航続距離を最大23%向上させることができます。スマートフォンやウェアラブルデバイスは、体に密着させることで保温性が向上します。テスト結果によると、-5℃の環境下でポケットに入れたスマートフォンは、寒冷地で保管した場合よりも1.5時間長く駆動することが示されています。
低温での充電は避けてください
0℃以下の温度ではリチウム電池を充電しないでください。充電が必要な場合は、電池またはデバイスが室温に戻ってから充電してください。 低温保護機能付きのスマート充電器を使用するとより安全です。
最も安全な方法は、充電前にバッテリーを温めておくことです。例えば、-20℃から来たEVは、充電前に25℃のガレージで少なくとも2時間、バッテリー中心部の温度が5℃に達するまで休ませる必要があります。スマートフォンのような小型デバイスの場合、低消費電力アプリ（音楽再生など）を実行すると徐々に温度が上昇しますが、局所的な過熱を引き起こす可能性のある高負荷アプリの使用は避けてください。
高出力放電の低減
低温下では内部抵抗が増加するため、大電流放電のリスクが高まります。急激な電圧低下やシャットダウンを防ぐため、極低温下では電力を大量に消費する機能（ゲーム、カメラのフラッシュ、EVの高速加速など）の使用を避けてください。
バッテリーを部分的に充電した状態で保管する
寒冷な気候は自己放電を加速させます。-20℃では、リチウム電池の月間自己放電率は12%に達する可能性があり、これは25℃の3倍に相当します。電池を半分の充電状態（40～60%）で保管すると、電極の安定性を維持するのに役立ちます。
バッテリーを長期間使用しない場合は、 10～25℃の乾燥した環境で、40～60%の充電量で保管してください。完全に放電したバッテリーは、極寒の環境や長期間保管しないでください。
冬にリチウム電池を正しく使用するための重要なヒント
冬季におけるリチウム電池の保護には、温度管理、適切な充放電、そしてスマートな保管という3つの側面から対策を講じる必要があります。適切な取り扱いをすることで、寒さによる悪影響を50%以上軽減できます。実際、保護されたリチウム電池は、-10℃という低温環境下でも、保護されていない電池に比べて最大2.3倍長持ちします。
最適な温度を維持する
リチウム電池の電気化学的活性は15℃～25℃でピークに達します。デバイスはこの温度範囲内に保つようにしてください。
電気自動車の場合、BMSはバッテリーを予熱することができます。出発15分前に予熱をスケジュール設定することで、バッテリー温度を-10℃から10℃まで上昇させ、初期の航続距離を最大23%向上させることができます。スマートフォンやウェアラブルデバイスは、体に密着させることで保温性が向上します。テスト結果によると、-5℃の環境下でポケットに入れたスマートフォンは、寒冷地で保管した場合よりも1.5時間長く駆動することが示されています。
低温での充電は避けてください
0℃以下の温度ではリチウム電池を充電しないでください。充電が必要な場合は、電池またはデバイスが室温に戻ってから充電してください。低温保護機能付きのスマート充電器を使用するとより安全です。
最も安全な方法は、充電前にバッテリーを温めておくことです。例えば、-20℃から来たEVは、充電前に25℃のガレージで少なくとも2時間、バッテリー中心部の温度が5℃に達するまで休ませる必要があります。スマートフォンのような小型デバイスの場合、低消費電力アプリ（音楽再生など）を実行すると徐々に温度が上昇しますが、局所的な過熱を引き起こす可能性のある高負荷アプリの使用は避けてください。
高出力放電の低減
低温下では内部抵抗が増加するため、大電流放電のリスクが高まります。急激な電圧低下やシャットダウンを防ぐため、極低温下では電力を大量に消費する機能（ゲーム、カメラのフラッシュ、EVの高速加速など）の使用を避けてください。
バッテリーを部分的に充電した状態で保管する
寒冷な気候は自己放電を加速させます。-20℃では、リチウム電池の月間自己放電率は12%に達する可能性があり、これは25℃の3倍に相当します。電池を半分の充電状態（40～60%）で保管すると、電極の安定性を維持するのに役立ちます。
バッテリーを長期間使用しない場合は、 10～25℃の乾燥した環境で、40～60%の充電量で保管してください。完全に放電したバッテリーは、極寒の環境や長期間保管しないでください。
どのように リチウムイオン電池は寒冷気候でも正常に動作します。以下の冬季バッテリーケアのヒントに従うことで、EV、スマートフォン、ドローン、電動工具など、どのバッテリーでも、バッテリー寿命を延ばし、信頼性の高いパフォーマンスを維持し、電圧低下や永久的な容量損失などのリスクを軽減できます。
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