理系男子の流儀


【化学系研究開発者・個人投資家・副業音楽家・元DTM速報の人】がDTM、化学、お金に関する情報を発信しています(月2.5~3.0万人閲覧)。音楽はメタルコア・ポストハードコア・エモ・スクリーモが好き。 ※元 : DTM速報 (DTM情報ブログ / 2ch DTM板 まとめサイト)

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    iPhone

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    お世話になっております。
    理系男子の流儀」管理人の「やな」です。
    化学製品の研究開発に従事しております。


    今回は本業の知識を活かして、スマートフォン用のバッテリー等に用いられているリチウムイオン二次電池の動作原理を簡単に解説してみたいと思います。前半は万人向けの優しい解説、後半は理系向けの少し詳しいステップアップ解説となっております。





    ◯背景

    勉強中にスマホを使う人のイラスト(男性)


    スマートフォンは2010年頃から次第に普及率が上昇していき、内閣府の消費動向調査によると2019年現在では普及率80~90%にまで達していることが分かっています。
    また、iPhone (Apple)、Xperia (SONY)、Galaxy(SAMSUNG)、Optimus(LG)、のように多数のメーカーが競ってスマートフォンを販売しています。

    このような普及状況ですが、スマホのバッテリーの動作原理を知った上で使用されている方は多くはないのではないでしょうか?例えば、「スマホのバッテリーを長持ちさせる方法」というワードで検索すると、メカニズムの説明なく解説された記事が大半を占めているという状況です。

    そこで、スマホとともに化学の普及を促すため本記事を作成するに至りました。


    なお、2019年10月9日に本技術の基礎を研究開発した成果に対して、旭化成・吉野彰氏(名誉フェロー)らにノーベル化学賞が送られました。

    ノーベル化学賞の旭化成・吉野彰氏、満面の笑顔で受賞会見(2019年10月9日)







    ◯スマホ用バッテリーの外観

    まずはスマホの代表iPhoneを解体してバッテリーの設計分析(ティアダウン)を行った動画をご覧ください。
    Apple正規店でもバッテリー外観は見せてくれないので、貴重な動画です。


    iPhone X Teardown and Analysis!


    • 再生開始時、最初に引張っている白いものは、電池の中身ではなく接着剤です。
    • 解説は英語ですが、もし理解できなくとも外観を把握するだけで十分です。

    次にこのバッテリーの中身について見ていきます。





    ◯スマホ用バッテリーの中身

    What's inside iPhone battery ???


    • バッテリーの黒い外装フィルムを剥がすと、レトルト食品等にも使用される銀色の「アルミラミネートフィルム」が出てきます。
    • さらにアルミラミネートフィルムを剥がすと、中から「黒いシート」と「半透明のフィルム」が出てきました。表面は濡れています。
    • よく見ると、黒いシートは2種類あります。そして、「黒いシート」と「黒いシート」の間に「半透明のフィルム」が挟まっています。
    • 爽やかで楽しげなBGMとともに電池を解体していますが、投稿者さんは皮膚の腐食、電解液による失明、電池の発煙・発火・爆発等により死に至るリスクを背負いながら解体しています。(知識がないためできる所業だと思いますが…)

    ■中身の材料の名称
    • 2種類の黒いシート :「正極」と「負極」
    • 半透明のフィルム :「セパレータ」
    • 電池内の液体 :「電解液」
    といいます。
    次にこれら中身の動作原理を見ていきましょう。





    ◯スマホ用バッテリーの中身の動作原理

    現在のスマホ用のバッテリーには、「リチウムイオン二次電池」という種類の電池が用いられています。




    ■構成材料の役割

    上記の動画に示されている材料の役割は以下です。
    • 正極 :電気エネルギーの源 (動画左側のカラフルな方)
    • 負極 :電気エネルギーの入れ物 (動画右側の六角形の方)
    • セパレータ :正極と負極の間の壁    (動画中心の液体の内部)
    • 電解液 :リチウムイオンの移動手段 (動画中心の液体)

    • 電子 :電気エネルギーの正体 (動画の小さい水色球体)
    • リチウムイオン :電気エネルギーの付き人 (動画の緑色のニコちゃん球体)

    大体こんなイメージで良いと思います。
    簡単にいうと、電池とは化学反応を用いて「電気エネルギー(電子)を負極に貯めるデバイスということができます。





    ■電気エネルギーとは

    前述の通り電気エネルギーの正体は電子です。

    充電によってこの電子を入れ物(負極)に貯めるためには、
    動画のように必ずリチウムイオン(付き人)が電子とセットで動く必要があります。

    理由としては、電子というのはマイナスの性質(-)、リチウムイオンというのはプラスの性質(+)を持っており、それぞれが磁石のように引き付け合うためです。
    • 電子 / e (動画の水色の小さい球体)
    • リチウムイオン / Li (動画の緑色のニコちゃん球体)
    リチウムイオンが電子を引き付けるという性質を利用し、電子を入れ物(負極)に貯めたり、出したりしているわけです。
    また、プラスイオン(カチオン)の中でも、特にリチウムイオンがその役割に最も適しているため、現在はリチウムイオン二次電池が普及しているという状況です。
    赤いS極と、青いN極がある、棒形の磁石のイラスト




    ■充電

    動画(4:44)では、スマホ-充電器をコンセントに挿した瞬間の充電反応から始まっています。
    流れの概念は以下のようになります。
    1. 電源による電圧の力で、無理やりエネルギーの源(正極)から電気エネルギー(電子)を取り出す
    2. 取り出したエネルギー(電子)を外部回路を経由して入れ物(負極)に貯める

    つまり、充電というのは、充電器の力により自然の摂理に逆らって、電気エネルギー(電子)を正極(エネルギーの源)から負極(エネルギーの入れ物)に貯める工程と言えます。

    スマホを充電ケーブルで充電している様子を描いたイラスト
    スマホ等の電子機器では、正極に電気エネルギーの源がある状態(充電前)では電池容量は0%と表示され、負極(入れ物)に電気エネルギーがある状態(充電後)では、電池容量は100%と表示されるように設定されています。





    ■放電

    放電は前述の充電反応が逆方向に進行するだけです。
    放電というのは、バッテリーの負極から電気エネルギー(電子)を取り出してスマホを動作させることであり、このときは、ご存知の通りコンセント・充電器からの電源は必要ありません。

    これは、「鉄を放っておくと自然に錆びるように」、「高い所から低い所へ物体が落ちるように」、自然の摂理に従った方向の化学反応であるためです。

    寝転がってスマホを使う人のイラスト(男性会社員)



    ■セパレータの役割と安全性

    セパレータ(正極と負極の間の壁)の役割は、電子を外部回路を経由させるようにすることです。
    放電時は、外部回路を経由させることで、スマホの動作に必要な分だけ電子を制御して取り出すことができます。

    もし、セパレータが破れたり、穴が空いたりした状態だと、せっかく時間を掛けて充電して負極(入れ物)に貯めた電気エネルギー(電子)が一瞬で正極(エネルギー源)に戻ってしまいます。これを短絡(ショート)と呼びます。
    また、一瞬で多くのエネルギーが移動する時には、激しい発熱を伴うため、場合によっては発煙・発火・爆発に至ります。電池発火事故はこの短絡がきっかけであることが多いと推定されます。


    ご参考までに、100%充電(満充電)状態のiPhoneの電池をカッターで傷付けて、セパレータをわざと破った場合は以下の動画のような規模の発煙・発火が生じます。数時間掛けて負極(入れ物)に貯めたエネルギーが一瞬で外に放出されたため、このようになります。


    iPhone battery catch fire






    ◯まとめ

    • 電池とは化学反応を用いて「電気エネルギーを負極に貯めるデバイスと言えます。
    • 充電時はコンセントからの電源の力により、自然の摂理に逆らって、電子(電気エネルギーの正体)はリチウムイオン(付き人)とセットで負極(入れ物)に貯められます。
    • 貯めた電気エネルギーは、自然の摂理に従った化学反応で必要な分だけ放電されてスマホを動作させます。

    簡単な理解としては、上記で十分だと考えられます。
    これを知っておくと、電池の劣化メカニズムや危険性などを理由が分かった上で理解することができます。
    それにより、電池を長持ちさせることができたり、安全に使用することができたり、といったメリットがあります。
    次回の解説記事では、このメカニズムを前提として、電池の寿命向上方法や、危険性について取り上げていきたいと思います。

    【【初心者向け】ノーベル化学賞2019を受賞したスマホ用バッテリーの動作原理を分かりやすく解説】の続きを読む

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    お世話になっております。
    理系男子の流儀」管理人の「やな」です。

    DSCF6513

    先日Apple公式の「iPhoneのバッテリー交換プログラム」を利用して、「iPhone 6s」のバッテリーを格安で新品に交換しましたので、その方法等を情報展開いたします。





    バッテリー交換キャンペーン経緯

    2017年12月下旬、Appleの公式発表により「バッテリーが劣化したiPhoneにおいて、予期せぬシャットダウンを防ぐため、意図的に動作のパフォーマンスを低下させていた」ということが判明しました。

    Appleはこの件について謝罪するとともに、「iPhoneのバッテリー交換プログラム」として、「2018年の12月末まで、iPhone本体の保証およびAppleCare+による延長保証期間内であれば無償交換、保証期間が過ぎている場合でも、iPhone 6以降のバッテリー交換費用を通常の8800円から3200円に値下げ」することを提案しました。

    謝罪会見のイラスト

    ↓ Apple公式 「謝罪およびバッテリー交換プログラム提案」
    iPhoneのバッテリーとパフォーマンスについて - Apple(日本)iPhoneのバッテリーとパフォーマンスについて - Apple(日本) 





    バッテリー交換キャンペーン概要

    まとめると以下の通りです。
    • 2018年12月末まで、バッテリー交換が無償 あるいは 3200円
    • 対応機種は、iPhone 6以降
      ※iPhone SE、iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPhone 6s、iPhone 6s Plus、iPhone 7、iPhone 7 Plus、iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X
    スマートフォンのバッテリー切れのイラスト





    バッテリー交換推奨タイミング

    以下のいずれかに該当している場合は、交換をご検討してみてはいかがでしょうか?
    • 現在のバッテリー容量が、新品時の容量の「80%以下」まで低下している
      ※Apple 正規サービスプロバイダによると、80%以下になっている場合は交換推奨とのこと
    • 本体保証期間が近日中に切れる
    • 使用環境によっては、充電容量が1日持たないことがある

    容量低下について補足説明です。例えば、iPhone 6sの新品バッテリー容量は1715mAhと言われていますが、2年後に80%容量が低下していた場合、以下のような関係になります。

     ■ 新品時 100%充電 = 1715mAh
     ■ 2年後 100%充電 = 1372mAh

    このようにiPhone画面の右上に表示されている数字が、同じ100%でも実際は容量が低下していることを示しています。

    私の場合は、2016年1月にiPhone 6sを購入し、2018年8月現在で充放電サイクル数は約780サイクルで、バッテリー容量は新品時容量の82%まで低下していました。また、朝に100%まで充電しても夕方帰宅前に0%まで到達してしまうことがあったため、交換を実施しました。


    ちなみにバッテリー容量の劣化具合は、以下の方法で確認できます。

    「設定」→「バッテリー」→「バッテリーの状態 (ベータ)」

    iPhone 6s バッテリーの状態

    ↑ 交換直後なので、「100%」と表示されています。





    バッテリー交換申込み方法

    以下の手順で非常に簡単に申込むことが可能です。
    1. Apple公式ページにアクセス
      https://support.apple.com/ja-jp/iphone/repair/battery-power
    【【スマホ】「iPhone」のバッテリーを格安で新品に交換する方法】の続きを読む

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    1:名無しサンプリング@48kHz:2012/05/12(土) 05:59:35.35 ID:8sQsDk5q

    スマホやiPadなどのアプリの相談、紹介、雑談など。
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