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電子タバコに使用されるバッテリー

 
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一般的に市販されている電子タバコは、大きく分けて
・リチウムイオン電池を内蔵し、スイッチ基盤で安全制御する商品(初期型電子タバコ全般)
・円筒型リチウムイオン電池を装填する製品(俗にMODと呼ばれます)
になります。

リチウムイオン電池は、航空法によって危険物貨物と認定されております。

リチウムイオン電池自体はスマホやデジカメなど身近な家電で使用されることも多いものですが、熱暴走を起こしやすく廉価な海外製品が爆発したという事例も報告されています。

そのためリチウムイオン電池を使用する際、ヒューズ基盤や回路を持った保護回路を取り付けるなど安全性を向上させる必要があります。

リチウム電池は原則、内蔵させるか、またはリチウム電池パックとしてPSEを付与、販売されるものです。

豆知識として流通しているリチウム電池の素材と、その特徴をご紹介します。

マンガン系 LiMn2O4 IMR

電子タバコではこのマンガン系をお探し下さい。

リチウム・マンガン電池(「Li-Mn」または「IMR」)は、リチウムコバルトに比べて容量が1/3とされてきました。

しかし近年では技術の発展により大容量化、瞬間的に大電流を使う状況に適しております。

安全な化学的性質なため、釘刺し試験でも、暴発しにくく、非常に高いエネルギーを供給することができます。

万が一ショートした場合、
ショートを引き起こしている金属が非常に速く熱くなり、高熱による融解、二次火災の原因につながる可能性があります。

これは保護回路やセーフティーヒューズを使用することで防ぐことが可能です。

コバルト系 LiCoO2 ICR

リチウム・コバルト電池(「Li-Co」や「ICR」)は、携帯電話、ノートパソコンやデジタルカメラ用に用いられます。
これは一定出力を長時間放電させる状況に適しているためです。

保護ケースに傷がついてショート、過充電、または水が入ってしまった場合、バーストし、火災を引き起こす危険性があります。

リチウム・コバルト電池の大半は特別な保護回路が作られており、他のものより防護回路が安全な仕組みになっており、上記の注意事項に対してヒューズがついているためです。

国内流通しているPSEのとれた円筒型リチウム電池の多くはコバルト系になります。
 

3元系 LiNiCoMnO2

ハイブリッド車の普及に伴い、高容量かつ大電流へのニーズが高まりました。

3元系とはコバルト酸リチウムのコバルトの一部をニッケルとマンガンで置換し、コバルト、ニッケル、マンガンの3つを使用することで材料の安定性を高めたものです。
 
このほかにも、リン酸鉄系(LiFePO4)、高寿命化 のため負極にチタン酸系を使用したものがございます。

どちらもエネルギー密度が低い事が特徴です。
エネルギー密度が低いため、通常電圧3.7Vのところ、3.2Vから2.4V付近と低い定格電圧に設定されております。
 

リチウム・ポリマー

リチウムイオン電池は液状の電解液に対して、リチウム・ポリマーは電解質にゲル状の高分子ポリマー材料を使用します

長寿命、小型化、短絡や過充電への耐性が向上した事、有害物質が少ない事が特徴です。

そのため、モバイル機器やドローン、スマートフォンに採用されることが多く、一時期スマートフォンにポリマーバッテリー採用したことはCMの謳い文句になっていました。

リチウム・ポリマー電池を、ラミネート化(平べったくしたもの)したものが、スマートウォッチの電源に採用されています。

余談ですが、 といった特徴もあり、円筒型が電子タバコに用いられるようになった背景もあります。  
 

2016年、サムスンのスマートフォンは苦難の時期を迎えました。

以前から、電子機器メーカーではリチウム電池の充電電流制御による安全性向上といった対策が取られています。

これは2015年から2016年にかけて、リチウム電池製造メーカー、並びに電子機器を作るメーカー内でのお話になります。

昔話程度ではありますが、充電方法について注意喚起もございます。
 

リチウム電池の安全限界電圧のお話

充電量の調節

スマートフォン他、内蔵電池の寿命を長く維持するため、プログラム更新可能な機器には充電量を調節する機能が追加、配信されました。

リチウム電池を搭載した製品に限った話ですが、既存製品に対してリチウム電池の充電電圧、電流量を下げ容量限界まで行なわない仕組みとのことです。
 

リチウム電池の発火と、その原因


・スマホ火災と原因

スマートフォン他、リチウム電池を搭載する製品が、公共交通機関で火災や爆発といった事故事例は、毎年数件発表されています。リチウム電池が発熱、爆発する主な理由は などがあげられます。

いままで制御できていた充電器によって、どうして過剰供給が起きるのでしょうか?

公共交通機関で火災や爆発が起きるか、という点は、リチウム電池を充電する機器が過剰に充電させてしまう事が主な原因です。

・新幹線の例

特急や新幹線には、「充電用にご使用ください」と、コンセントがあります。

複数の変電所から架線に給電されるため、営業中は常時100vがそのコンセントに給電されています。

この複数の変電所が実は盲点で、1か所にトラブルが起きると、 電源トラブルのひとつ「スパーク」が発生します。

スパークとは、瞬間的に電圧が上昇することです。

同じコンセントで動作していた大きな負荷の装置が突然停止した場合、もう一方のコンセント側の電圧が 10%以上昇する場合があります。

では、このスパークが移動中のどこで発生するかというと、50HZと60hzの周波数の境目が多いらしいのです。

そこに限らず、変電所から給電される電圧に変動が起きた場合なども、コンセントの電圧が瞬間的に動くという報告がありました。
 

・飛行機の例


飛行機の主電源はエンジンの発電機です。

このエンジン、空の場合はもっとシビアで、乱気流に突入したとき電圧降下、抜けたときに電圧が上昇する場合があります。

乱気流を抜けたとき、高負荷が掛かっていたエンジンから突然、負荷が抜けて軽くなるタイミングで電圧の変化が起こります。

充電用として座席にUSBポートがある座席もございます。

USBの電圧は通常5Vが掛かっていますが、まれに8V以上が発生してる恐れがあったため、航空機内部で燃えたという事故調査がありました。
 

電圧変動が危険

スパークが発生する理由は上記の通りですが、どうしてリチウム電池が燃えるのでしょうか?

それは、電圧上昇により、電子機器が故障、俗にいうEOS(電気的オーバーストレス)になります。

そこで電子機器が壊れず(または壊れて)、

・リチウム電池に過剰給電してしまったパターン、
・電子機器内部で短絡、放電レート以上に電流が流れてしまったパターン


このいずれかによって、リチウム電池が異常発熱、または発火してしまい、スマホ火災の原因の一つです。

話を戻しますが、最大まで充電しない理由は、予防策としてリチウム電池の安全限界電圧を下げて余裕を持たせ、過剰充電を防ぐ狙いもあるかとおもいます。
 

ここで、「100Vは100Vだろ」「保護回路があるだろ」という疑問を持つ方もいると思います。
という点から事故が発生している事はご理解いただきたたく思います。

ちょっとしたマトメになりますが、 といった心掛けをおねがいします。

余談ですがソニーは「世界で一番リチウム電池のクレームを受けてきた会社」らしいです。

そういう経緯もあり、ノウハウはおそらく世界一だとおもいます。

当店にて現在、取引している会社は、国内ではリチウム電池検査の大手、東洋システム様。

自社でリチウム電池の製造なんて無茶なことをしたため、製品検査を委託しました。

東洋システム社様訪問


これに限らず、事故事例と検証は探せば山ほど出てきます。

現在もリチウム電池についての研究が続いております。

J-PARCセンター:充放電しているリチウム電池の内部挙動 プレス発表
リチウムイオン電池寿命を12倍に、正極加工に新手法


いまのところ、製造メーカー各社は、独自規定でリチウム電池内臓の電子機器を作っています。

またリチウム電池については、これまで 満充電で約4.2V、終止電圧で約2.8Vが標準と考えられています。

リチウム電池は、 電気用品安全法によって規制されております。

PSE:電気用品安全法では充電電圧4.25Vという規制が設けられたものの、電子機器業界での安全対策として、リチウム電池の運用電圧が変更される可能性があります。

また国内でリチウム電池内臓品は、放電レート0.5Cとして設計されているとのことでした。

充電方法の変更は「電池を長持ちさせる」という謳い文句で施行されています。この変更は安全という点からも着目してみてください。
 

■電子たばこのお話



上記のとおり、”電子機器”を”電子たばこ”に置き換えれば、安全に運用できます。

特に筆記する必要もない事です。

昔、イギリスで発火した件も、場所が確かライブハウス、音響機器の電圧変動が大きいところです。

これから先、各業界で安全限界電圧を下げることが予想され、
「バッテリーがもたない」
「使用できる容量が少ない」

と感じる事と思います。加えて放電特性のCレートも限界まで使うことは今後見直されると思います。

バッテリーへの負担が大きい使用方法は、良いわけがありません。

また円筒型リチウム電池には被服の弱さ、という致命的な欠点があります。

放電容量や、電流以外にも十分ご注意ください

■リチウム電池容量について


リチウム電池の記載容量が800mah、しかし使用可能容量が200mahという場合がありました。

詐欺なの?と感じるかもしれませんが、
※0V〜4.2Vで800mah、この※部分が、0Vであったり2 .8Vまたは3.3Vといった、それぞれの基準があるようです。

実際に東洋システム様で当店開発の電池に対して放電特性試験するまで、容量のバラツキについては私もわかりませんでした。

小さいのに大容量、という商品は少々注意が必要かと思います。
詳しくはメーカーにお問い合わせください。
 


リチウムイオン電池の正極に使われることもある炭酸リチウムの市場価格を見てみるのも面白いですね。

リチウム電池の話はハイブリット車(HEV)や電気自動車(EV)のほうを調べるとより具体的です。

自動車の話になりますが、リチウム電池の搭載容量から防水仕様、絶縁対策がない自動車が水没した場合、その付近は感電の危険性があります。近づかないようお願いします。

電子機器は必ず燃えるわけではございません。

不安に駆られる必要はございませんが、このページに記載した通り、充電中の発火は、どの電子機器でも起こる可能性がございます。

安全性を重視したリチウムイオン電池も100%安全と断言できるわけではありません。

電子タバコや電子キセルはリスクをご理解いただいた上で使用することが求められます。

当店でも通販でIMR(マンガン系のリチウムイオン電池)を取り扱っていますので、お気軽にご相談ください。

参考
恐怖!ハワイ行きの飛行機内で突如iPhoneが炎上―原因はリチウムイオン電池 - iPhone Mania 
スマホ事故:5年間239件 充電中火災、皮膚かぶれなど - 毎日新聞 
危険物貨物について - 航空貨物としてお預かりできない品目|ヤマトグローバルエキスプレス
[箱] 大容量リチウムイオンバッテリーの飛行機持ち込み「容量160Wh以下」がキーワード 楽しい旅に出よう | [箱]ものくろぼっくす

※3.8Vについて
電気自動車で世界を賑わせているテスラモーター

ここで開発しているバッテリー式電気自動車は、安全に配慮するため、バッテリーの充電電圧を3.8V、バッテリー出力に負荷をかけすぎないようにと、搭載する電池容量を大幅に確保している、らしいです。試作品での仕様らしく ”らしい”という表現を使用しました。

リチウム電池の話はハイブリット車(HEV)や電気自動車(EV)のほうを調べるとより具体的です。
自動車の話になると、リチウム電池の搭載容量から防水、絶縁対策がない自動車が水没した場合、その付近は感電の危険性があります。近づかないようお願いします。


 

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