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スマホを長持ちさせるためにリチウムイオン電池を技術的に理解する:まだそんなことやってんの?

スマホを長持ちさせるためにリチウムイオン電池を技術的に理解する:まだそんなことやってんの?
みるみ
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みるみ

Android 2.3くらいの頃からのカスタマイズ厨。読者のみなさんからは「Androidアプリオタク」とも。

近いうち初めてのiPhone購入をしてみる予定。
→12 mini買いました。記事いっぱい書くために色々いじり中。

とても昔に結局スマホの電池持ちを良くするにはどうすればいいの?的な記事を書きました。

このときは「満充電1回のライフサイクルの中で長く使う方法」という趣旨でまとめましたが、その中でとにかく熱は避けろみたいなことを言っていました。

今回はここにフォーカスしたくて、

「僕は3年以上使っても全く劣化を感じないのに、なんでみんなそんなにスマホのバッテリーがすぐに悪くなっていくの?」

という疑問の答えが充電中の使用をマジで全くやっていないからなんじゃないかと気付き、せっかくだから技術的に裏を取りながらまとめてみよう!と思い立ったのが趣旨です。

現在はバッテリーに関する技術がものすごく進歩しているので、"技術的に"と言っても気をつけないといけないことはかなり少なくて簡単です。気軽に読んでみてください~

バッテリー(二次電池)の歴史と現在を知る

まずはいくつか用語整理。
以下で説明している言葉さえ知っていれば現代のバッテリー事情は概ね把握できていることになります。

二次電池

充電できる電池のことだと思っておけば問題ない。つまりスマホなどのガジェット類において登場するバッテリーは全て二次電池のことだと思っておいてOKです。

言わずもがな、「充電できない電池ってなによ?」というのは乾電池などのことですね。存在を忘れかけるあいつらが「一次電池」というわけです。

一次電池と二次電池

一次・二次は「化学電池」という分類の中の1つで、それと並ぶものに「物理電池」というのもあります(太陽電池など)。

サイクル寿命

二次電池は永遠に使えるものではありません。充電できる回数には事実上の上限があり、これをサイクル寿命、もしくはサイクル回数などと呼んでいます。

充電→放電で1サイクルなので、「0%→100%→0%」で1カウントになります。

充電池のサイクル回数とは

つまり、電池を長持ちさせるようにすることとはすなわち

  • 最大値を100%から減らさないようにすること(=0%に減るまでのスピードを遅くさせること)
  • サイクル回数自体を減らさないようにすること

であるといえます。

メモリー効果

電池を最後まで使い切らずに充電を始めてしまうと、電池の電圧が一時的に低くなる現象のこと。電圧が下がることでバッテリーの最大用量が減ったように見えるものの実際の容量はほぼ変わっていないということに留意してください。

つまり電池の充電容量が減っているわけではないので、これを「バッテリーの劣化」とするのは間違いです。

完全に放電(リフレッシュ)させれば、電圧降下は停止して理論上はもとの状態に戻ります。

メモリー効果とは

そしてこのときに現れた言葉が「継ぎ足し充電」というものですね。

上述した通り、

0%まで使い切っていないのに充電を再開してしまうと次回の電圧が下がる
 →電池の容量が減ったように見える
  →継ぎ足し充電はバッテリーが劣化する!

という半ば迷信のような噂が広まってしまいました。

しかし今みなさんが持っているモバイル機器に入っている電池ではメモリー効果は起きません。このあとでも触れます。

ちなみに「ニカド電池」でおなじみの「ニッケル・カドミウム電池」は、パワーが強いもののこのメモリー効果が強すぎるためデジタル機器ではほとんど使われていません。でも工具とかではまだよく見かけますし、こんな記事を読みに来てくださる皆様へは「ミニ四駆で使っていたアレ」といえばピンとくるでしょう。

ニッケル水素電池

さっきの「ニッケル・カドミウム電池」につづき、2つややこしい名前が連続しますがここだけは我慢してほしい…!

現代で主流のモバイル機器において、一昔前まで主に使われていた二次電池がこの「ニッケル水素電池」です。それまで活躍していたバッテリー類より大容量化や安全性の観点で秀でていたものの、メモリー効果により何度も繰り返し使用していると見た目の蓄電量が減っていくように感じられることがネックでした。

このときに

  • 「充電を繰り返すと持ちが悪くなっていく」
  • 「継ぎ足し充電は特に良くない」

などのよく聞くアレらが一気に広まったわけですね(実際には前者は起きうることですが(ソース))

ニッケル水素電池はメモリー効果が大きい

しかしさっきも言ったように、これらはほぼ全てニッケル水素電池の時代での常識であり、現在主流の「リチウムイオン二次電池」では当てはまらないということが今回最大のポイントです。

リチウムイオン二次電池

そしてこれが今最も広く使われている充電可能なバッテリー、「リチウムイオン二次電池」です。「リチウム電池」という略し方は別の電池を指すことになってしまうので注意してください(ボタン電池のことなど)。

モバイル機器の運用形態からすると致命的だったメモリー効果を払拭したこと、パワーも強く自然放電(使わずに放置しておくと充電が減ること)も少ないことなどが決め手となり一気に普及しました。

リチウムイオン電池はメモリー効果をクリアした

この現代で「バッテリー」や「充電池」などと言ったら基本はこのリチウムイオン電池を指すと思ってOKです。

すなわち、これまでの迷信は今の充電事情にはおよそ関係がないのです。これまで言われていたほとんどの問題や多くの人が「どうすべき…?」と気にしている事柄はほぼすべてどうでもいい。まだそんなことやってんの?というわけです。

これを理解しておくだけでもかなりの有益さがあるはず。

またリチウムイオン系二次電池のサイクル回数はおよそ数千~1万回もあるので、現実的にも十分な寿命があるということも分かっておくべきでしょう。保管しておくときは満充電状態は避けるのがベターです。

正しく使っていれば機器の利用そのものが難しくなるほどの劣化は起きにくいはずですね。

ちなみにリチウムイオン二次電池の基礎を築いたのは日本人(吉野彰さん:2019年ノーベル化学賞)です。偉大だ。

つまり現代の充電可能バッテリーは…

言葉の確認をするだけでバッテリーの背景もほぼほぼ整理できそうですね。

まとめると、

今使われている「リチウムイオン電池」というものは継ぎ足し充電をしても特に問題はないし、正しい運用方法なら数千回(1日1回充電なら最低3年~)は使えそう

ということですね。

ここまでを分かった状態で、次へ行ってみます。

リチウムイオン二次電池が苦手なこと

さて本題。
そうは言ってもリチウムイオン電池にも不得手はあります。

充電の運用について特に大事と思われる部分をいくつかリストアップしてみました。

  • とにかく高温環境での保管・使用は避ける。これによるダメージはリフレッシュ等では回復せず、バッテリーそのものの劣化になる
  • より劣化させないために、25%~80%など中央付近でサイクルを重ねるのが良い
  • 急速充電は充電効率が悪く発熱も生むため必要なとき以外は避ける
  • 長く使わないことが分かっているときは満充電状態を避ける

1つめに関してはこのあと書くとして。
ポイントは2つめと3つめ。

2つめはベストな充電・使用範囲があるというものです。

文献によって

  • 40%~80%
  • 25%~75%

など揺れがありますが、満充電→完全放電を毎回行うより、むしろもっと中途半端に使うほうがいいとされています(ソース1ソース2)。

houdenshindo-cycle-jumyou-relation

このグラフは「放電深度(充電100%のうちどれだけ使うか)が浅いほど電池のサイクル寿命は大きくなりますよ」ということを言っています。理論的には浅ければ浅いほど良いわけですが、それだと使い物にならないので中央付近でのサイクルが推奨されているのだと予想しています。出典

これは意識してコントロールするのが難しいので、「0%になる前に充電を始めるようにする」くらいで十分な気もします。たぶんこれを意識すればもっと同じバッテリーを長く健康に使えるんでしょう。

なお、満充電に近づくと(80%~)充電スピードが遅れるのはそういうものです。そもそもリチウムイオン電池自体が「低残量では一気に充電され、高残量では充電スピードが低下する」という性質を持っている上に、急速充電だと特に劣化が著しいので意図的にスピードが落とされたりしています。

lithium-ion-rechargeable-battery-charge-time

これは「充電時間の経過に対して蓄電量の回復は最後急激に遅くなる」ということを示しているグラフです。電流と電圧も同様の動きをしているのが分かります。(出典:Panasonicの技術資料)

時間に対する充電量のコストパフォーマンスはこのタイミングから悪化してくるので、それを見計らって充電を終了するというのは理にかなっているかもしれません。

3つめ、急速充電は避けようというもの。

これは僕も急速充電の登場時からなんとなく「負担ありそうだなあ」と思っていましたが、実際そのようです(ソース1)。

この性質を利用したおすすめの運用施策は、毎晩利用する充電経路ではわざと低電圧・低電流のものを用意し充電スピードを遅らせるというもの。

こんなことを紹介している記事はないので裏は取れてませんが、順当に考えたら

  • 負担が減らせる
  • 発熱も抑えられる(発熱時間も減る)
  • 満充電状態、満充電&充電接続状態を減らせる(トリクル充電防止※ほぼ意味はないと言われているけど(後述)

などのメリットがあるはず。

少なくとも急速充電を使う経路は限定的にするといいと思います。

なお、実際の物理ではまわりの温度が高いと電池の容量は上昇していきます。が、サイクルを増やした場合の電池の劣化速度が跳ね上がります。ここに分かりやすいグラフ入りの解説があるので興味ある方はどうぞ。

このことは、低温環境に行くとバッテリーの残量が著しく減る(ように見える)こととも整合しています。

スノボ中にスマホを見たらバッテリーが0%表示されていた、なんて経験をしたことある方も多いでしょう。温度がもとに戻ればほぼ回復します(結露には注意!!)。

で最後、後回しにしていた高温の件。
僕が個人的に最も強く思っている点を抜き出して説明しておきます。

上では取り上げなかった迷信の1つにこのようなものもありました。

「充電しながら使うのはバッテリーに良くない」

うん、半分正解、半分間違い。

スマホに発熱をさせない、発熱中は使用しない!

色々言ってきましたが、とにかくバッテリーが熱に弱いことだけは間違いない。

リチウムイオン電池が,外部衝撃や過度な使用などによって,熱暴走(異常発熱)や急激な容量劣化などを引き起こす場合がある.

携帯電話用リチウムイオン電池の熱暴走及び容量劣化評価法

リチウムイオン二次電池は高温環境下で保管すると劣化が加速的に進行することが経験的に知られている。

リチウムイオン二次電池の熱的特性の研究

つまり、「充電しながら使うのはバッテリーに良くない」という噂に関しては充電しながらの使用自体は問題がないものの、それによって起こる発熱量が異常なまでに大きいから問題であるというのが僕、及び世間の見解です。

ここまでの情報だと、「普通に使っているならリチウムイオン電池は特に劣化しなさそう」ということが分かっている以上、この熱の件さえなんとかなれば長く一緒に歩んでいけそうです。

以下、発熱に関して重要と思われる事項をピックアップしてみます。

充電中に使用しない!!

smartphone-charging-use

もうとにかくこれに尽きる。

充電はそれだけでも電池に負担を強いる状況であり、ほんのり温かくもなっています。この状況での電力の使用は明らかにヤバそうです。

冒頭に書いた「僕は同じ端末を3年使おうがバッテリーの劣化は全く感じない」の一番の要因はこれを一切やっていないからだと思っています。冷静に考えてもそれ以外に他の人と差がない(そもそも使用量が少ないので充電量が少ない→サイクル消費数も少ないというのも考えられますが、上記までの情報を考えると与える影響は小さいと考えてます)

なので今回の記事は、頑張って一言にまとめようとしなくてもこれだけ伝えられれば満足でした。

みるみ
みるみ

それを分かりやすく伝えようとしたらこういう記事になったというわけ!

「スマホ登場時よりバッテリーの技術も進化しているのになんでいまだにこんなこと気にしないといけないの?」という至極まっとうな指摘があると思いますが、これについてはヤツが関与しています。

mobile-battery

みなさん持ってますよね、モバイルバッテリー。

今はむしろ自宅にいるときより「充電しながら使用する」という状態が増えるようになったと思います。外出中のモバイルバッテリー使用時くらいはスマホの使用を一旦中断するべきでしょう。

電車移動中に挿しておいてカバンに収納、充電中は寝る!とか。

自宅でも「充電時間は休憩時間」と思うといいかもしれません。僕は家で全くスマホにタッチしないので正直どうすれば「充電しながら使う」という状況になるのかは分からないんですけど…。

で、もっと言うと「発熱中に使用しない」のも良いアイデアだと考えられます。

これから以下に挙げるようなことなども含め、発熱していると感じたら意味のない操作はやめるべきでしょう。それがさらに発熱を呼び、バッテリーに損傷を与えます。

ちなみに充電が完了したあと挿しっぱなしにすることに関しても現代では一切気にする必要はないはずです。

理論上はわずかにデメリットがあるかも、などとは言われていますが、多くのメーカーや研究者は「日常生活レベルで気にする必要はない」との見解を出しています。少なくともリチウムイオン電池を単体で扱う技術者でもない限り、最近のIT機器には必ずバッテリーを制御する優秀な回路が備わっているはずなので大丈夫でしょう。

あなたは何も気にせずスマホに充電ケーブルをぶっ挿しベッドにダイブすればいいのです。

温度の高い場所に保管しない

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この話を「夏の車の中とかでしょ?そんなとこにスマホ置きっぱなしにしないし」と思うなかれ。

夏はポケットに入れて歩いているだけで相当な高温状態にあると思った方がいいです。ポケットの中は体温で熱されて蒸れますし、そもそも外気(直射日光)などでズボンの表面も相当なもんです。

ずっと外に出ていないといけない職種の方などは意識して改善してみるといいかもしれません。それ以外の場合は、ちょっとどうにもならんですね…。。

みるみ
みるみ

僕は夏場に外を歩くときは「スマホによってポケット付近や脚が暑く感じる」ことのほうが嫌です。でももちろん、スマホも温まっちゃってるってことですよね、これ。

また、

  • エアコンの聞いていない部屋に置き去りにしてしまう
  • かばんの中に置いて密閉しておく

なども放熱できず悪化する原因となりそうです。僕は前者は特にPCで気をつけてます(夏場は外出時も冷房はほぼ切らなくなりました)。

単純に長時間の使用は発熱を伴う(特にゲーム!)

smartphone-game-heat

まあ「それを言ったら元も子もないだろ」という部分ではありますが、だらだら無駄にスマホを触ってしまうこととバッテリーの寿命を天秤にかけたいのなら、改善できるポイントではあるかもしれません。

現代のIT技術は半導体の集合であり、それは電気回路であり、すなわち物理現象です。

あなたがスマホゲームで攻撃を1回行うだけでも大量の演算や描画が行われ、その過程でエネルギーが流れて発熱を起こします。

ゲームの動作において、電気部品で必要な処理の量というのは桁が違います。それだけエネルギーを必要とする=発熱量も増えるんですね。

「ゲームのためにスマホを使う」ことを否定する気はもちろん一切ありませんが、その使い方には一考の余地があるかもしれません。とりあえず充電中はやめておこう。

みるみ
みるみ

書いてて気付いたけど、僕はスマホでゲームも一切やらないのでこれも寄与してるかも。

画面輝度、カメラの起動、ライトの起動に注意する

smartphone-camera-light-brightness

これは昔から変わらない事実で、

  • 画面の明るさ
  • カメラの使用
  • ライトの使用

などは特に電力を多く消費します。

「目に見えて起こる物理現象は電気エネルギーも多く消費する」と覚えておくといいでしょう。

  • 画面の明るさ→画面が明るくなる(必要な発光量が増える)
  • カメラの使用→カメラの物理的な制御がある(レンズ動作、光を取り込んで電気に変える)
  • ライトの使用→見たまんま

画面輝度をマックスにしたりライトを点けているとみるみる熱くなっていくのはみなさんご存知の通り。

カメラやライトは一時的にしか使わないものなのでいいものの、必要以上に画面輝度を明るくしている人は下げてみるのがいいかもしれません。

僕はもともと眩しいのが苦手なのでPCモニタなんか冗談抜きで100段階の0%だし(マジ)、スマホも13%とかです。外にいるときのみ自動で明るくするようにカスタマイズするのもいいかもしれません(参考

OS標準の「自動明るさ調節」は単純にバッテリーの消費量が大きいイメージが 昔は ありましたが、今はもっとお利口さんになっていると思うので単純にそれを使ってみてもいいかもしれません。僕は鬱陶しいので嫌いですが。

おわりに

スマホの電池持ち事情を中心にしてバッテリーの基本的な知識を簡潔にまとめてみました。

とにかく言いたかったことは、

「充電に関してはなんにも気にしなくていいよ、でも熱にだけは気をつけて」

ということに尽きます。

正しいことを多くの人に伝えていけるブログでありたい、と久しぶりに思ったとか思わなかったとかなんとか。はい。

 

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Android 2.3の頃からいじり倒している10年超えのオタク。近いうち、初のiPhone購入予定。 →12 mini買いました。記事いっぱい書くために色々いじり中。

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この記事へのコメント

  1. もずく より:

    みるみさん、ご無沙汰してます。
    またまたとても気になる記事だったので思わずコメントしちゃいました(笑)

    スマホのバッテリー劣化は高校生の頃からかなり気になっていました。
    …だって『全く同じ機種使ってる友達のバッテリーが著しく劣化してた』から。

    当時の私に深い知識は無かったけど、片っ端から友達聞いて回ったりして辿り着いた結論。
    ・充電しながらインスタやツムツムしてる子。
    ・手帳型ケースに入れて使ってる子。
    ・出処不明な粗悪な充電アダプタやケーブルを使用している。

    言われてみれば確かに共通して言えるんですが、まさかバッテリーが熱に弱いだなんて知りませんでした。当時からみるみさんみたいに探求心のある友達がいてくれたら、、なんて思います♪

    ちなみに上記3点セットの友達は、いつもスマホがほっかほかで冬場はポケットの中でカイロ代わりに使っていたのを今でも覚えてます。
    …案の定、買って半年ぐらいでバッテリー逝っちゃってましたけど(笑)

    朝、家でフル充電して来たのにお昼ご飯食べる頃には30%前後なってて、繋ぎっ放しの怪しいモバイルバッテリーがまるでカテーテル治療の末期患者みたいで可哀そうでした。

    個人的に『急速充電が全て』みたいな症状が出始めていた中、みるみさんのおかげでもっとバテッリーを労わるスマホ生活が送れそうです!!
    増えすぎて捨てようと思っていた低速充電アダプタも大切に使い続けようと思います☆

    • みるみ より:

      お久しぶりでございます。いつもありがとうございます~

      なるほど、もずくさんの調査を拝見した中で一番ビビッと来たのは「手帳型ケースに入れている」という点ですね。
      その他の点は僕が記事で書いている通りバッテリーの劣化を早める行為であることは間違いないですが、「手帳型ケースに入れていて熱がよりこもってしまう」というのもあるかもしれません。差異は微小かもしれないですが、世界中で統計を取ったら有意差は出そうな気がします。お見事な聞き込みでございました。笑

      そうですね、低速充電アダプタなども出番があると思いますし、正しい知識を身につけることはメリットがいっぱいありますよね!(低速の方が良さそうというのはちゃんと裏が取れていない点だけはご了承ください)

  2. もずく より:

    いつもご丁寧にレス有難う御座います♪
    とゆーか、私なんかを覚えててくれた事に驚きですが(笑)

    確かに最近は高速充電の技術も向上しなるべくバッテリーに掛ける不可も抑えられているので、みるみさんの言う通り『一概に低速の方が良いとは限らない』のかもしれませんね。

    しかしそれも、あくまで純正品等の高品質なアダプタやケーブルを使用した上でのお話であって、穴の開いてない中華コンセントなアダプタや粗悪なケーブル、怪しいモバイルバッテリーなんかを使ってしまっては必ずやどこかでバッテリーに必要以上のダメージを与えてしまうハズ!

    …丁度私もiPhone12ゲットしたので、バッテリーに優しいゆとりのある充電ライフを送りたいです☆

    あ、ちなみにバッテリーとは関係無いんですが、友達調査で判明したもう一つの事実がありました。

    iPhoneなどスマホの電源ボタン(サイドキー)とかが押されたまま戻らなくなる不具合を訴える友達は皆、口をそろえて『シリコンケースを使っているor使っていた』と言ってました。
    …なぜそうなるのか全く分かりませんが、折角なので頭の片隅にでも置いといてくださいw

    最後に、みるみさんiPhoneにも詳しかったらご存知かもしれませんが、画面の明るさを簡単に変えれる小技がありますよ。(低照度ズーム+背面タップ)
    あと、以前記事にしてくれてたTaskerみたいな事も、ショートカットのオートメーションで出来ますし、、本当便利な世の中になって来たなぁとつくづく実感しています(笑)

    …いつも長々ダラダラとすみません。

    • みるみ より:

      いえいえ、わざわざコメントをくださる方は必ず覚えていますよ~
      お世辞ではなく本当に嬉しいのです…!

      粗悪な充電関連商品はやっぱり良くないですよね。ちゃんとしたものを買うべきというのは僕も同意見です。
      実は僕もちょうどiPhone12を買ったところなので、同じように思っていたところです。

      これまで長らくAndroidオタクとしてやってきましたが、無知は良くないと思いiPhoneにも手を出してみることにしたんです。意味と価値のない比較記事や無駄な論争ばかりの中、どう考えるべきか?というのを徹底的に記事にしたいと思っています。もずくさんもご興味ありそうな記事にできるかと思うので、ぜひお読みくださいね!!

      色々教えていただきありがとうございます。ショートカットのやつは知っていましたが、シリコンケースと低照度ズーム?というのは知りませんでした。色々調べてみます~