絶対に知っておきたい蓄電池の基本的な仕組みを種類・タイプ別に徹底解説！
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スマートフォンやパソコン、近年では電気自動車など、さまざまな製品のバッテリーとして活用されてきた蓄電池。今では、住宅に蓄電池を導入して、電気の有効活用をスタートしている方が増えてきています。
とはいえ、蓄電池がどのように充放電を行い、そして住宅で使われているのか、その具体的な仕組みをご存知でしょうか。また、蓄電池の種類によって、充放電の仕組みが変わるのかも気になるところです。
本記事では、蓄電池の基本的な仕組み、そして主流になっている蓄電池の種類別の仕組みについて詳しく解説していきます。
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蓄電池の基本的な仕組み
蓄電池の充放電に関する仕組みの解説に入る前に、まずは「住宅に導入した蓄電池がどのような働きをしてくれるのか」が気になるでしょう。
ここでは、一般家庭に導入した蓄電池が私たちの普段の生活をどのような形でサポートしてくれるのか、その基本的な仕組みから解説していきます。
蓄電池は電気を充電できる優れもの
住宅における蓄電池の役割は、停電などで電気が使えないときのバックアップ電源、そして余った電力の充電、大きくこの2つがあります。
蓄電池は、いわずもがな電気を貯める入れ物であり、住宅では電力系統や太陽光発電から電気を充電して好きなときに使えます。
もちろん、スマートフォンのバッテリーのように繰り返し充電が可能です。
この特性から、蓄電池は停電が発生したときに活躍の場を迎えます。
停電時でも、蓄電池に貯めた電力を使うことで、家の電化製品が利用OKになるのです。
電気が使えなければ、日常生活がままなりませんので、蓄電池は非常時の備えとして大変心強い味方になるでしょう。
加えて、停電になっていない普段の生活でも、昼夜の電力料金差を利用した電気代の節約にも蓄電池は活用できます。
また、太陽光発電がある家庭では、使い切れない電力を蓄電池に貯めておけるようになります。
太陽光発電だけでは、電気を貯める機能はないため、発電した電力はそのときに使い切らなければなりません。
また、太陽光発電は日中は発電できますが、日が沈んでからは発電しません。
そのため、どうしても日中の電力が余ったり、夜間や朝方などに電気を購入する必要が出てきます。
そのため余剰電力は電力会社への売電しますが、卒FIT後は一般的には買取価格が電気料金以下になるため今後は使ったほうがお得になります。
そこで蓄電池があれば、余剰電力は蓄電池に充電しておいて、夜間に使うことで電力を有効活用しながら電気代の節約に繋げられるというわけです。
蓄電池で充電した電気は使い方にも種類がある
蓄電池に貯めた電力は、以下の蓄電池のタイプによって停電時の使い方が大きく変わります。
- 全負荷タイプ
- 特定負荷タイプ
いずれのタイプの蓄電池を選ぶべきかは、あなたの蓄電池の使い方に対する考え方・方針によって決まります。
ここでは、蓄電池選びをする上で知っておきたい、タイプによる違いとメリット、注意点について確認していきましょう。
蓄電池が家全体を賄う全負荷タイプ
全負荷タイプは、蓄電池に貯めた電力で家全体をまかなう使い方をする蓄電池です。
停電になったとしても、どこの部屋でも電気が使えるので、普段と変わりのない生活を送れるという安心感があるでしょう。
その一方で、電力消費量が大きくなりがちなので、停電でも数日間は蓄電池で過ごしたいという方には向いていません。
もし全負荷タイプで長く電気を使いたいのであれば、極力電気を無駄使いしないように気をつけなければなりません。
たとえば、使わない電化製品のコンセントを抜く、家族は同じ部屋で過ごす、といった工夫が必要でしょう。
エリアを絞って蓄電池を賢く使う特定負荷タイプ
蓄電池の電力でカバーできる範囲が家全体である全負荷タイプに対して、特定エリアに絞られているタイプの蓄電池が特定負荷タイプです。
特定負荷タイプでは、特定負荷分電盤という専用の分電盤に接続した部屋・電化製品のみが停電時に使えます。
そのため全負荷タイプに比べると、制約がある分だけ蓄電池の効果は限定的で、普段どおりの生活とまではいきません。
しかし、意識せずともある程度は電力の無駄使いを防げるので、停電時でも最小限の生活なら数日間ほどは蓄電池で生活ができるでしょう。
蓄電池は運転モードで充放電が変わる
蓄電池には、運転モードの設定によって、普段の生活における蓄電池の充放電の仕方が大きく変わります。
メーカーによって名称は多少異なりますが、運転モードはおおむね次の3つです。
- 経済優先モード
- 環境優先モード
- 安全モード
それぞれの運転モードの特徴を、簡単に確認しておきましょう。
経済優先モード
経済性を最優先して、太陽光発電の発電量をできる限り売電する運転モードが、経済優先モードです。
FIT制度で固定価格の買取期間中である方は、経済優先モードにすることで売電収入を最大化できます。
昼間は太陽光発電の発電量を売電し、夜間は割安な深夜電力を充電して蓄電池のサポートを受ける形です。
環境優先モード
環境負荷へ配慮した蓄電池の使い方をする運転モードが、環境優先モードです。
メーカーによっては、グリーンモードという名称の場合もあります。
基本的には、太陽光発電の発電量を売電ではなく、なるべく充電して自家消費へ回すことで効率的に電力を消費するモードです。
昼間に発電した電力は、自家消費した上で余った電力を充電し、さらに満充電になると売電します。また、設定によっては安価な深夜電力での充電もOKです。
安全モード
安全モードは、停電が発生した際に使える電力をできるだけ多く確保できるように、常に蓄電池を一定の充電残量に保つ運転モードです。
充電残量は、好きな値に設定できるようになっています。
非常時の備えとして安心ですが、そのかわり普段の蓄電池の充放電を制御するため、電力の利用効率は少し下がるでしょう。
基本的な充放電の挙動は、経済モードと同じ形になる場合がほとんどです。
蓄電池の充電・放電の仕組み
住宅における蓄電池の仕組みがわかったところで、蓄電池の充放電に関する仕組みの解説に移りましょう。
蓄電池の種類によっても、仕組みが異なりますので、蓄電池の種類別に充放電の仕組みを解説していきます。
基本的な充放電の仕組みはどの蓄電池も同じ
蓄電池にはいくつか種類がありますが、充電・放電の仕組みはどれも基本的には同じで、化学反応を利用したものです。
まずは、放電の仕組みから見てきましょう。
蓄電池の内部にあるバッテリーセルは、主に電極板・電解液・セパレータの3つの部材から構成されています。
電極板は電解液に浸っており、正極側と負極側で混ざり合わないように仕切りとしてあるのがセパレータです。
放電は、電極板と電解液が反応し、負極の電極板から電解液へイオン化分子が溶け出すことから始まります。
このイオン化分子がセパレータを通過して正極側に移動、正極の電極板にコケのように付着（析出）していくこと電流が流れます。
通常の電池はこのような反応が自然に起こり、電池から電力が放電されます。
このまま放置すると、負極の電極板がすべて溶け出し反応が終わってしまいますが、蓄電池の場合は、ここに電力を加えて逆反応を起こすことで充電が可能です。
充電時は、正極の電極板に析出していた物資がイオン化分子として電解液に溶け出し、負極へセパレータを通過して移動、負極の電極板に析出して放電前の状態に戻ります。
このように蓄電池は、この可逆的な化学反応によって繰り返し充放電を行える仕組みになっているのです。
種類別に見る蓄電池の充電・放電の仕組み
充電・放電の仕組みは、蓄電池の種類によってどのように異なるのでしょうか。
結論から言えば、電解液や電極板の材料の違いで種類が変わっています。
ここでは、次の4つの主要な蓄電池について、充放電の仕組みや特徴を詳しく解説していきます。
- リチウムイオン蓄電池
- 鉛蓄電池
- ニッケル水素蓄電池
- NAS電池
リチウムイオン蓄電池
まずは、家庭用蓄電池として普及が進んでいるリチウムイオン蓄電池の特徴と仕組みを見ていきましょう。
リチウムイオン蓄電池は、負極に単素材、正極の電極板にリチウム合金を用いて、電解液を介してリチウムイオンをやり取りするため、この名称がついています。
電解液が非水系のため、他の蓄電池に比べて容易に高電圧を得られ、エネルギー密度が高いという特性を有します。
リチウムイオン蓄電池は、この特性から小型化・軽量化が可能といった特徴があり、スマートフォンやノートパソコン、EVなど活用の幅は非常に幅広いです。
またこのほか、リチウムイオン蓄電池は、自己放電が少なく最大容量の下がってしまうメモリー効果という現象の影響を受けないというメリットもあります。
尚、当サービス「丸紅エネブル蓄電池」で取り扱われている機種は、リチウムイオン蓄電池が主になります。
鉛蓄電池
鉛蓄電池は、蓄電池の中でも最も古くから利用されている蓄電池です。
その歴史から、実績やデータも多く存在するため信頼性が高く、用途も広範となっています。
主な利用先は、病院や公共施設・通信基地局の非常時用電源、自動車のバッテリーなどです。
鉛蓄電池は、正極・負極のいずれの電極板にも原価の安い鉛由来の合金を用いるため、コストパフォーマンスが良いといった特徴を持っています。
また、リチウムイオン蓄電池と同じく、メモリー効果の影響も受けません。
一方で、リチウムイオン蓄電池に比べるとサイズ・重量ともに大きくなるため、小型デバイス等への利用は向いていません。
このため鉛蓄電池は、十分な設置スペースを用意でき、安価に電源を用意したい場合に力を発揮する蓄電池といえるでしょう。
ニッケル水素蓄電池
ニッケル水素蓄電池は、いわゆる乾電池にも利用されている、もっとも身近な蓄電池です。
もともと乾電池は、ニッケル・カドミウムを用いたニカド電池が主流でしたが、カドミウムが有害物質であるため、人体や環境に配慮したニッケル水素蓄電池が登場しました。
ニッケル水素蓄電池は、負極にニッケル合金、正極に水素吸蔵合金を用いられています。
この水素吸蔵合金に水素を蓄えられる点が画期的で、同じ体積で気体の水素よりも1000倍ほどの水素を含有できるためコンパクト化が可能です。
また、リチウムイオンよりも安価で安全という特徴も有しています。
一方で、ニッケル水素蓄電池は自己放電やメモリー効果の影響を受けてしまうというデメリットもあります。
NAS電池
日本ガイシ株式会社が世界で唯一開発に成功した蓄電池が、ナトリウム硫黄電池（NAS電池）です。
NAS電池は、負極がナトリウム、正極が硫黄で構成されている蓄電池です。
最大の特徴は、エネルギー密度が非常に高くコンパクト化ができる一方で、コストを安価に抑えられる点にあります。
鉛電池の1/3程度のサイズで済むため、代替として期待されています。
また、自己放電がない点もNAS電池のメリットの1つです。
対して、動作時の温度を300度とかなりの高温を保ち続ける必要があること、材料のナトリウムや硫黄が危険物であることから、取扱いが難しいという課題もあります。
導入事例としては商業施設や病院など、まだまだ少ないものの、今後の研究開発が期待される日本発の蓄電池です。
蓄電池のタイプ・種類ごとの仕組みを理解しよう
蓄電池は、機能としては電力貯めておくという非常に単純なものですが、蓄電池のタイプや種類によってその仕組みは少しずつ異なります。
特に、全負荷タイプ・特定負荷タイプ、そして運転モードによって、普段の使い方から停電時の使い方も変わります。
思っていた挙動と違う形であれば、せっかくの蓄電池を最大限に有効活用できません。
蓄電池のタイプや種類ごとの仕組みをよく理解して、効率的に蓄電池を利用していきましょう。
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