ほぼすべてのスマートフォンやタブレットに搭載されているリチウムイオンバッテリーは、小さくて壊れない均質な原子炉ではありません。AppleInsiderは、その構造と化学反応について簡単に解説し、古くなったバッテリーがデバイスメーカーだけでなくユーザー自身にも悪影響を及ぼす仕組みについて解説します。
バッテリーは物理的かつ化学的なプロセスであり、永遠ではない。
まず、科学の基礎から。
あらゆる電池は電気エネルギーを化学エネルギーの形で蓄え、そのエネルギーを電気に変換することができます。電池には陽極と陰極が必要であり、陽極と陰極の間を電荷が流れるようにする電解質によって隔てられています。
バッテリーに負荷がかかると、陽極は酸化反応によって負極に電子を放出し、電解質中のイオンも放出します。陰極はこれらの電子を受け取り、電子の流れの回路が完成します。
充電できない電池についてはこれで終わりです。しかし、リチウムイオン電池は充電可能です。つまり、電流を適切に流すと、電子の流れが逆方向に起こり、電池が充電されるのです。
これは線形反応ではなく、「理想的なバッテリー」とも呼ばれます。モバイルデバイスのバッテリーの総容量（ミリアンペア時間で測定）と、充放電サイクルを含む総寿命は、充電回路やソフトウェアなどのデバイスメーカーによるエンジニアリング上の選択、そして反応物の物理的な量によって制限されます。
バッテリーの物理的に大きいほど、容量は大きくなり、曲線はより平坦になり、バッテリー残量が少ないときの電圧低下も目立たなくなります。昨今のバッテリー問題を考えると、PlusサイズのiPhoneが速度低下の影響を受けにくく、iPadが全く影響を受けないのは、物理的に大きいバッテリーのおかげです。
セルの充放電がより正確かつ安定しているほど、バッテリーの寿命は長くなります。一方、高温の車内や氷点下の屋外など、バッテリーが温度変化にさらされるほど、バッテリーの寿命は短くなります。
放電サイクル中の任意のバッテリーの出力電圧は、充電率に対してプロットできます。
しかし、反応物は永遠ではありません。リチウムイオン電池の場合、セル内に「金属ウィスカー」が形成される可能性があり、電池セルの該当部分がショートして利用可能な電力が低下します。最終的には、ウィスカーの形成と反応物の枯渇が相まって、電圧不足と不可逆的な酸化により、電池が完全に消耗してしまいます。
出力電圧グラフの傾きは変化する
電圧の「曲線」と傾きは、様々な要因によって大きく変化します。バッテリーの消耗により、横軸は縮小します。当然のことながら、デバイスの電力需要によって、一定の充電量で曲線に沿って進むのにかかる時間は減少します。
環境によるセルの損傷、許容電圧を超える電圧を供給する充電装置の不具合、その他の問題により、バッテリー使用中の電圧降下は恒久的に増加します。動作温度によっても電圧降下は一時的に増加し、低温の方が高温よりも容量への影響が大きくなります。
「死んだ」バッテリーは実際には
バッテリーが「切れた」からといって、蓄電されていないわけではありません。バッテリーが切れた状態でスマートフォンを起動しようとすると、Appleが「プラグを差し込む」というグラフィックを表示するのがその証拠です。
リチウムイオン電池の場合、2V以上の容量がないと電極が酸化し始めます。これはかなり急速に進行し、充電しても回復しません。そのため、一定期間放置されたリチウムイオン電池は、最終的に完全に消耗するか、容量がほとんどなくなるのです。
おそらく、Samsung Note 8 がバッテリーが消耗した後にシャットダウンし、復活しないという報告は、デバイスの電力が充電回路を始動できるレベルを下回っているためであり、バッテリーに永久的な損傷があるわけではない。
デバイスメーカーと曲線
バッテリー製造に深く立ち入ることなく、デバイスメーカーは性能曲線に基づいて選択を行う必要があります。バッテリー容量と出力電圧は、安全性の要素は言うまでもなく、それぞれ異なる要素として考慮する必要があります。
すべてのデバイスには臨界電圧があり、その電圧を超えると動作不能になったり、データが失われたり、完全にクラッシュしたりする可能性があります。臨界電圧は普遍的なものであり、デバイスごとに異なり、Appleに限ったものではありません。
極端に単純化すると、メーカーはバッテリーの性能曲線を見て、エンジニアリング上の判断を行うポイントを選定する必要があります。もしその判断が外れると、デバイスのバッテリーが化学的に劣化し、シャットダウンしてしまいます。確かに、これはAndroidデバイスで実際に発生しており、2015年9月のNexus 6Pが現在この問題の影響を受けているようです。そして、シャットダウンを防ぐソフトウェア修正は今のところ見当たりません。
リチウムイオンバッテリーが過充電、過熱、損傷、あるいは単に経年劣化によって劣化すると、内部のセルから可燃性電解質混合物が「ガス放出」される可能性があります。損傷のないバッテリーの膜は、この物質をある程度封じ込めるために伸びたり膨らんだりしますが、ある時点で膜は爆発的に破裂します。これは、2016年にGalaxy Note 7が引き起こした火災によって実証されました。
ここに至った経緯
モバイルプロセッサの消費電力は一定ではなく、負荷に応じて電圧が上昇します。
ベンチマークアプリケーションは、プロセッサを可能な限り長時間、可能な限り高速に動作させて計算を完了させるか、あるいは一定時間内に一連の計算を実行するように設計されています。そのため、テストによってプロセッサが過酷な負荷にさらされると、電圧関連のダウンクロックルーチンが必ず実行されます。そして、電圧制限下でのランダムシャットダウン問題を解決するApple独自の方法が、最初にRedditで発見され、その後GeekbenchキュレーターのJohn Poole氏によって発見されたのです。
実際に速度低下を経験した、あるいは気づいたユーザーがどれだけいたかは不明ですが、iOS 10.2.1以前のランダムなシャットダウンは確かに目立っていました。Appleによると、速度低下は永続的なものではなく、状況に応じて発生するとのことです。バッテリーの化学的劣化が少なければ、ダウンクロックの頻度も少なくなります。また、デバイスをあまり酷使していないユーザーは、バッテリーがほぼ消耗していても、ダウンクロックに気付かないかもしれません。
iPhone 6sに搭載されたAppleのバッテリーをめぐっては、2つの異なる状況があり、それぞれに関連性はありません。1つ目は、一部のiPhone 6sに搭載されたバッテリーの一部に対してAppleが実施したバッテリー交換プログラムです。このケースでは、バッテリーには製造上の既知の問題があり、Appleは問題のシリアル番号を持つユーザーに対して無償で交換を行いました。
2つ目は、2017年2月にiOS 10.2.1のリリースで実装されたシャットダウン問題の修正です。この修正は、端末のCPUクロックを一時的にダウンクロックすることで、端末の電圧需要を、端末がランダムにシャットダウンする可能性のある危険な電圧よりも低く抑えるというものでした。iOS 10.2.1は、リコール対象となったiPhone 6sのバッテリーと混同されることがよくありますが、実際には両者に共通点はありません。
Appleは、この問題を修正するために、ランダムシャットダウンの問題を修正したと簡潔に記したリリースノートを公開するなど、本来あるべき透明性を欠いていたと言えるでしょう。前述のNexus 6Pも同様の低電圧問題を抱えているようですが、ランダムクラッシュを防ぐパッチはおそらく提供されないでしょう。
しかし、アップルがどれだけ儲けたとしても、物理法則や化学の現実から逃れることはできない。
