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蓄電池とは?その種類や充放電の仕組みを分かりやすく解説

蓄電池 2021年09月30日更新

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充電により繰り返し使用できる蓄電池は、現代の私たちの生活になくてはならないものです。

スマートフォンやノートパソコンなど、あらゆる電化製品に蓄電池が使用されています。

さらに、近年では太陽光発電の普及に伴い家庭用蓄電池にも注目が集まっているのです。

この記事では私たちの身の回りにある蓄電池の基本的な仕組みについて解説します。

「自宅に太陽光発電を設置したい」「FITの終了を迎えるに当たり蓄電池の購入を検討している」という方は、家庭用蓄電池の基礎知識として本記事を参考にしてください。

蓄電池とは充電して繰り返し使える電池のこと

蓄電池とは充電により繰り返し使用できる電池のことです。

乾電池などの使い捨て電池を一次電池と呼ぶのに対し、繰り返し使用できる蓄電池は二次電池とも呼ばれます。 

「繰り返し使用できる電池」というとモバイル機器のバッテリーなどがイメージされますが、余剰電力を貯蔵しておくための設備も蓄電池の一種です。

特に近年は自家発電の電力を貯蔵するための家庭用蓄電池に注目が集まっています。

家庭用蓄電池の設置によりエネルギーの効率的な使用や電気代の節約が可能です。

そして「災害時には非常電源になる」ということも忘れてはなりません。

豪雨や台風、地震など、近年多発する大規模災害への備えとして家庭用蓄電池の設置を検討するのもよいでしょう。 

家庭用蓄電池と産業用蓄電池の違い

家庭用蓄電池と言っても、機械の仕組み自体に大きな違いはありません。

しかし、家庭用と産業用では扱う電気の量が違います。

一般的に、大容量の電気に対応できる産業用蓄電池の方が高額であり、より多くの放電・充電のサイクルに耐えられる傾向にあると言えるでしょう。

なお、家庭用蓄電池ならではの特徴として、ソーラーパネルやオール電化との連携が挙げられます。

電気の運用を一体化することにより、高い省エネ効果、節電効果が期待できます。

 

家庭用蓄電池

産業用蓄電池

容量

1kWh~15kWh

10kWh~20kWh以上

サイクル数

3,500サイクル前後

8,000サイクル以上の製品もある

寿命

約10年

サイクル数に比例する

価格(工事費込)

100万~200万円

数百万~1,000万円以上

サイズ

小さい

大きい

 

蓄電池の基本的な充放電の仕組み 

蓄電池の放電・充電の基本的な仕組みを解説します。

乾電池も蓄電池も放電に関する基本的な仕組みは変わりません。

しかし、蓄電池は電流を流すことで放電時と真逆の化学反応が起こり、電気を蓄える(充電する)ことができます。

電解液にプラス極とマイナス極の金属を投入することで放電する

電池の電力は、電池の内部にある物質の化学反応によって発生します。

電流を発生させるために必要なものはプラス極の金属とマイナス極の金属、そして化学反応の要となる電解液の3つです。

ポイントはプラス極にイオン化傾向が弱い(電解液に溶けにくい)金属、マイナス極にイオン化傾向が強い(電解液に溶けやすい)金属を用いることです。

マイナス極の金属は電解液に触れると溶けてイオン化します。

イオン化の際に電子を放出し、その電子がプラス極の金属に流れ込むことで電気が作られるのです。

マイナス極の金属のイオンが全て溶けだすと、電池はそれ以上の電流を生み出すことはできません。

乾電池はマイナス極から全てのイオンが溶けだした時点でその役割を終えます。

蓄電池は電流を流すことで放電と逆の化学反応が起こる

一方の蓄電池では電極に特殊な金属が使われており、電池に電流を流すことで放電時とは真逆の化学反応を起こすことが可能です。

つまり、プラス極の金属に吸着したイオンが電解液に溶け出し、マイナス極の金属へと戻っていきます。

これが充電の仕組みです。

電流を止めるとマイナス極のイオンは再び溶け出してプラス極へ流れ込み、電気を発生させます。

このように、蓄電池はプラス極とマイナス極の間でイオンを行き来させることで放電と充電を繰り返す仕組みになっているのです。

蓄電池の仕組みを種類別に解説

実用化されている代表的な蓄電池は以下の4種類です。

  • 鉛蓄電池
  • ニッケル水素電池
  • リチウムイオン蓄電池
  • NAS電池

充電の大まかな仕組みは先述した通りですが、蓄電池の種類によって細かな仕組みや特徴が異なります。

ここでは代表的な蓄電池の仕組みと特徴を見ていきましょう。

1. 鉛蓄電池

鉛蓄電池は、1859年にフランスの科学者ガストン・ブランテによって開発された世界で最初の蓄電池です。

プラス極に酸化亜鉛、マイナス極に鉛、電解液に希硫酸を用いており、これらの化学反応により電気を発生させます。

代表的な使用例はガソリン自動車のエンジン起動用バッテリーです。

他にもフォークリフトやゴルフカートのような電動車両の主電源としても用いられており、開発から150年以上たった現在でも幅広く利用されています。

鉛蓄電池のメリットは低コストでありながら大量の電気を放出できることです。

一方、デメリットは他の蓄電池と比べて重量が重いことが挙げられます。

また、過放電状態が続くことによる性能の低下にも注意しなければなりません。

2. ニッケル水素電池

ニッケル水素電池はプラス極にオキシ水酸化ニッケル、マイナス極に水素吸蔵合金、電解液には水酸化カリウムなどのアルカリ性水溶液を使用した蓄電池です。

過放電・過充電に強く安全性が高い一方、電池自体の寿命が短いといった特徴があります。

一般的にイメージされるニッケル水素電池は、「eneloop」に代表される乾電池型の充電式電池です。

以前はモバイル機器用の動力源としてポピュラーなものでしたが、より高性能なリチウムイオン電池が登場したことにより使用機会は減少してしまいました。

現在使用されているニッケル水素電池の代表例はEVカーの駆動用バッテリーです。

その他電動自転車や電動車いす等のバッテリーとしても利用されており、駆動用バッテリーの分野ではまだまだ現役で活躍しています。

3. リチウムイオン電池

リチウムイオン電池はサイズが小さいことに加え、高出力で長寿命といった特性を備えた高性能な充電池です。

2019年に日本人を含む3名の開発者がノーベル化学賞を受賞したことでその名が広く知られるようになりました。

既にスマートフォンやノートパソコンを始め、さまざまなモバイル機器・小型家電ではリチウムイオン電池が使用されています。

私たち現代人の生活に欠かすことができない充電池と言えるでしょう。

電池にはプラス極とマイナス極のイオン化傾向に差があるほど電圧が高くなるという性質があります。

リチウムイオン電池ではこの性質を利用し、イオン化傾向が非常に高いリチウムイオンをマイナス極に使用することで従来の蓄電池よりも高い電圧を実現しました。

4. NAS電池

NAS電池は、日本ガイシ株式会社が開発した大規模な電力貯蔵設備です。

世界で初めて運用に成功したメガワット級の電力貯蔵設備であり、現在も日本ガイシ株式会社のみが製造を行っています。

姿形こそ他の地区電子と大きく異なりますが、プラス極の硫黄、マイナス極のナトリウム、そして電解質となるファインセラミックスの化学反応で電力を生み出す点は同様です。

しかし、硫黄とナトリウムは共に消防法上の危険物に該当することや、運用時には300度以上の運転温度を要することから、安全性を課題とする意見もあります。

NAS電池に期待されているのは大規模の貯蔵容量を活かした電力の効率的な運用です。

電力安定の供給化や節電、環境負荷の低減といった効果が見込まれます。

家庭用蓄電池はメーカーごとのスペックも比較しよう

今回の記事では蓄電池の充電・放電の仕組みや、蓄電池の種類について解説しました。

実際に家庭用蓄電器を購入する際は、放電・充電の仕組みだけではなく蓄電器自体のスペックやも見比べることが大切です。

価格はもちろん、サイクル回数やメーカー保証期間なども比較しながら、自分に合った家庭用蓄電器を選ぶようにしましょう。

 

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