アルカリ電池は本当にマンガン電池よりコスパが高いのか

最近は、充電式の電池類を使う機器が増えてきていますが、100円ショップ(100均)には、安価な乾電池の数本セット品が数多く販売されています。

ダイソーさんの商品で単1と単3だけピックアップしてみると・・・11種類ありました。

ダイソーで販売されている単1と単3の抜粋

このように、日本のメーカーのものも、普通乾電池はすべて海外生産されたものですが、品質も国際標準なので、基本的な性能の差がなくて安い製品が使えるようになっているのは嬉しいことです。

特に単3電池のお買い得感が大きい感じなので、ここでは、アルカリとマンガン電池の単価の違いや、単1と単3での使ったときの寿命の違いなどを知って、乾電池のうまい使い方を考えてみます。

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100円でアルカリ乾電池が4-5個、マンガン黒乾電池は6-8個も使えるのですから、それらを、うまく使えばコスパの高い使い方ができる・・・はずなので、実験をしながら、それを考えてみようと思います。

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1.電池の大きさによる性能の違い

乾電池の国内トップメーカーのパナソニックさんのHPに、乾電池に関する技術資料が掲載されています。詳しく知りたい方はパナソニックさんのHPをご覧いただくとして、簡単にその内容を見てみます。

パナソニックさんの技術資料

対数目盛になっていて見にくいのですが、これらは、サイズが大きくなるほど、使用できる時間(寿命)が長くなり、さらに、アルカリ電池のほうがマンガン電池よりも寿命が長いことが示されています

そして、どんな乾電池でも、大きな電流を取り出すほど寿命が短くなりますし、サイズ(容量)の小さい単3電池は、200mA以上の大電流を取り出して使うと、急激に寿命が短くなっているのが読み取れるのですが、わかりやすいように、この図から、適当に数字をピックアップしてみますと・・・

パナソニックさんのデータによる寿命比較グラフから読み取った寿命時間

このように、同じサイズのアルカリとマンガン電池では、アルカリ電池のほうが2倍以上長寿命のようです。

数字の見方を変えて、アルカリとマンガン電池の寿命差を見ると、断然、アルカリ電池の長寿命さがわかります。流す電流量別の寿命倍率では、単1では2倍以上、単3では3倍以上と、アルカリ電池のほうが長寿命ですし、サイズが大きくなれば単1は単3の6倍以上に長寿命という数字です。

簡易性能比較表

ここで、単1の場合は、上のダイソーさんの販売単価をあわせて考えると、単1アルカリ電池1個が100円に対して、単1のマンガン電池は3個が100円なので、寿命が2.2倍であっても、マンガン電池をうまく使うと、コスパの高い使い方ができそうですね。

単3については、単3マンガン電池は、アルカリ電池の1/2の価格で寿命は1/3倍なので、この場合はアルカリ電池のほうがお買い得ということになります。

さらに、各社の品質は別ですが、ともかく、個数の多いセット品の、単1マンガン、単3アルカリを使い分けするのがコスパ的には良さそうだ・・・という数字です。

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もちろん、ここでは単1と単3だけの比較ですし、0.9Vになった時点を「寿命」ととらえているのですが、こちらの記事の実例で見たように、実際の機器ごとの寿命となるとこのようにならないでしょうから、機器ごとの寿命を知って、うまく電池の種類を使い分けをしていかなければなりませんが、単価の安いものを買うと、そこそこ正解でしょう。

もちろん、使える電池のサイズは機器によって決まってしまっているので、電池のサイズを選べる自由度はありませんが、私の場合は、単3をよく使うので、その場合は、セット本数の多いアルカリ電池を購入するようにしています。

そうなると、マンガン電池の出番が無さそうですが、マンガン電池も健在なのはどういう理由なのでしょうか?

2.電圧回復能力を見る

その1つに、『マンガン電池は、小電力時の回復能力が高い』といわれている伝説があります。

これについては、パナソニックさんの資料になかったために、安価な単3電池を利用して、2つの実験をしてみました。

実験に使った電池銘柄 ダイソーの2種類12本の電池を使用して実験

最初に書いたアルカリ電池とマンガン電池の特性予想では、大電力で使うと、アルカリ電池が優位ですが、小電力で使用すると、マンガン電池の回復力が高いことで優位性があるのかどうかを見てみましょう。

他の方のWEB記事を見ると、どんな電池でも、負荷をつないで電流を流すと、徐々に電圧(起電力)が低下していくし、電圧低下はマンガン電池のほうが激しいという内容ですし、電流を流すのをやめると、アルカリ電池もマンガン電池も、徐々に電圧が回復するということが書かれています。

ここでは詳細は示しませんが、私も電圧回復を調べたところ、初期の回復に比べて、数日、数週間・・・と、電池を使わないで長期間放置すると、その程度は、0.001Vほどずつ、少しづつ、ずっと回復し続けていることが確認できたのですが、しかし残念ながら、その数字は極小ですので、1日以上放置しても、アルカリ電池もマンガン電池も、著しい電圧回復はなかったので、流す電流と、初期の電圧回復力を見ることにしました。

そして、知っておくべきことは、使用して低下した乾電池の電圧は、時間をおいても、完全に使用前の電圧に戻ることはありませんので、大きな電流を長時間使用しないことが寿命延長のポイントのように思えるので、それを調べてみることにしました。

電流を流す時間を変えた時の様子 アルカリ電池が優位

ちなみに、小さなDCモーターを回したときの消費電流は150mA程度です。

そこでまず、それを想定して、オームの法則(電圧=電流x抵抗)から、1.5Vで150mAを流すための負荷抵抗は、1.5V/0.15A=10Ω と計算できますから、乾電池に10Ωの抵抗をつないで、電流を流す時間を変えたときの電圧降下程度や回復状況を調べてみました。

電流を流す時間が3分→6分→9分・・・と長くなるにつれて、電池の電圧が低下して、流れる電流も少なくなっていくはずです。

最初の電流を測ると約140mAで、計算値に近いことを確認したして、その10Ωの抵抗器に単3のアルカリ電池とマンガン電池電流を流して、3分・6分・9分間電流を流したところ、結果は次のグラフのようになりました。(もちろん、時間とともに乾電池の電圧が下がるので、流れる電流も少なくなっていきますが、これは通常使用時も同じで、仕方がないことですね)

使用直後では、グラフ左端のように、かなりの電圧低下があり、それを負荷を外して放置すると、徐々に回復する様子が見られます。

通電時間と回復の様子

この結果をみると、①通電時間が長くなるにつれて、電圧降下が大きい(アルカリもマンガンも) ②マンガン電池のほうが使用後の電圧降下が大きく、アルカリ電池のほうが電圧低下がは少ない(つまり、アルカリが長寿命) ③比較的大きな電流量(この場合は140mA)では、元の電圧までは回復しない(マンガンもアルカリも) ④電圧回復の傾向はマンガン電池のほうが大きいが、回復力はアルカリよりも劣る ⑤48時間程度の放置時間では、完全には、元の電圧まで回復しない・・・という、予想された結果になっています。

この実験では、単3電池をもちいて、やや大きい電流量の実験でしたが、次の実験では、流す電流量によって、この傾向がどうなるのかを見てみました。

流す電流の大きさを変えたときの電圧降下と回復  アルカリ電池が優位

次に抵抗の大きさを20Ω(70mA程度の比較的少ない電流量)、10Ω(前回と同じの140mA程度モーターを回すときの電流量)、5Ω(単3では大きい目の、240mA程度) と変えてみて、各6分間電流を流したときの電圧降下の様子とその回復過程を見ました。(ここでの10Ω・6分は上と同条件ですが、全く同じ結果ではないのは、実験ですので仕方ないでしょう)

通電量と電圧の回復推移

ここでも、①流れる電流が多くなると、電圧の低下が大きくなる(アルカリもマンガンも) ②アルカリ電池のほうが電圧低下が少ない ③1日程度の放置では、元の電圧までは回復しない・・・という結果です。

③の電圧回復力については、グラフが立ち上がっているマンガン電池のほうが回復力が高いように見えますが、使用直後の低下電圧は、アルカリ電池よりマンガン電池のほうが大きく、それもあって、最終的に、マンガン電池は、使い始めの電圧に戻っていないので、評価としては、使用後の電圧低下の少ないアルカリ電池に軍配が上がります。

つまり、アルカリ電池のほうが性能が高いといえます。

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そうなると、寿命が短い「マンガン電池」は、今後は消えゆく運命なのでしょうか・・・

マンガン電池の優位性は、単価の安いこと?

以上の単3電池での実験では、流す電流にも余裕があるアルカリ電池のほうが優位でした。

そうなると、マンガン電池は消えゆく運命か?というと、現状では、そうなっていないのは、やはり、何かに「優れているところ」があるということですね。それを探りましょう。

パナソニックさんの資料にあった寿命曲線を下に示します。

寿命曲線(パナソニックさんの資料)

乾電池を使う機器では、①電圧が低下すると、寿命や残量表示がでたり、一定の電圧になると使えなくなるもの(上の例で、CDプレーヤー、電子ゲーム)と、 ②回転や輝度が低下していくもの(上の例で、その他のもの) に分けるといいかもしれません。

ただし、この図の例では、寿命を「0.9Vまで低下した時」とあって、これは要検討です。そこまで使えない機器類も多いからです。

私の測定した例(こちら)では、デジタルプレーヤーは1.4Vが寿命でしたし、LED電灯では1.1Vで限界でしたし、さらに、DCモーターは、電圧が30%低くなると回転が30%落ちる・・・という実測結果でしたので、0.9Vが寿命と決めるのではなく、独自の寿命を考える必要性がありそうです。

これを調べるのは大変ですが、たとえば、1.2V程度になったときを機器の使用の限界とすれば、上の図で示される寿命の1/4から1/2程度の時間しかその機器が使えないことになります。

もう一つの寿命の捉え方として、寿命曲線のなかで、電圧降下が急激に低下している時点がその機器の寿命としてもいい感じがします。電池内部で、電流の供給不足が起きている状態ですから。

そこで、4つの例について①0.9V寿命 ②電圧曲線での寿命 ③その割合% ④その時の電圧 を読み取ってみたのが下の表です。

寿命の算定例

これで見ると、1.1V前後になるのが寿命だとすると、やはり、意外と寿命までの時間は短い感じがしますが、これだけ楽しめて数十円ですから、非常に高性能だということも言えるでしょう。

 

電池はコスパで選ぶことを考えると面白いですよ

このパナソニックさんの資料は一つの例で、実際の電池取り替え時期は、ここに書いてあるよりは、早く交換している可能性が高いかもしれません。

たとえば、電圧低下して電池交換するのではなく、聞いていて音が悪くなる、動作が遅くなる、止まってしまう・・・などのために、上の図の寿命ではなくて、もっと頻繁に電池交換をしている可能性もあるでしょうし、その反対で、間欠使用や少電流であれば、電圧の回復で、結構長く使用できている場合もあるでしょう。

子供に与えるおもちゃでは、「新しい電池を入れたおもちゃを動かして、電池が切れて、おもちゃが止まったときで、当日のお遊びは終了」というようにしているケースもあると思うのですが、そうなると、アルカリかマンガンのどちらかを選択する場合には、電池の寿命やパワーよりも、単価が安いものを求める可能性が大きいかもしれません。

マンガン電池もアルカリ電池も4本100円では、性能の良いアルカリ電池を購入するでしょうが、ダイソーさんの単3で言えば、「アルカリ6本、マンガン8本で100円」が最安値ですから、単価にすると、税別で、アルカリ100/6≒16.7円、マンガン100/8=12.5円 です。

おもちゃで毎日2本の単3を使えば、アルカリとマンガンでは、30日では250円の差ですが、6本100円ではなくて、平均的な、4本100円のアルカリになると、マンガン電池との費用差は、30日間で750円の差が出てくるので、こうなると、安いマンガン電池の優位性がでてきます。

また、見方を替えて、上の実験で電力量を考えると、1.5V・140mA・6分では、1.5x0.14x6/60≒0.02Wh ですが、たとえば、1日1回程度しか使用されない「玄関チャイム」では、押した時に1000mAの大電流が流れるとしても、2秒以下で仕事が完結しますから、1.5/1x2/3600≒0.0008Wh と、月間電力量では1/25と極小ですので、そうなると、ほとんど電圧低下も落ちないので、マンガン電池でも問題なく使えるので、単価が安ければマンガン電池を使うでしょう。

近年の乾電池は、液漏れして機器を痛めることもほとんどありません。そして、メーカーごとの性能の差はあるにしても、4本100円のアルカリ電池の品質は決して悪いものではありませんし、マンガン電池も、性能はアルカリ電池に劣るものの、コストのやすさで使い道がある・・・などなど、少しの知恵と知識があれば、コスパの改善ができる・・・ということがイメージできましたでしょうか。

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いじょう、あまり実用的な実験ではなかったかもしれませんが、基本は「アルカリ電池を使う」ようにすればいいのですが、逆に、安いマンガン電池にも使いようがある・・・ということを感じていただければ、費用と時間を掛けて実験をやったことも浮かばれますね。

・・・以上は、電池1本の性能を考えたものですが、2本以上を直並列にして使う場合は、覚えておかないといけない注意事項があります。

(参考)新旧・異種の電池を一緒に使うのはダメ

新旧の電池を使うということは、「電圧の違う電池を一緒に使用する」という意味ですし、異種の電池を使うということは、「能力(容量)の違うアルカリとマンガン電池や、サイズの違う電池を一緒に使う」という意味のことですから、直感的に、これらを併用する使用法をすると、発熱、液漏れを起こして、大変危険といえます。

ちょっとむずかしい内容になるので簡単なイメージで説明しますが、乾電池は、化学反応によって電気を作っているので、電圧が違ったり、電気の作り方が違うものを一緒に使うと、電池内部で変な化学反応が起こる・・・と考えていただくと、『電圧の違う電池を混ぜて使うと、内部で以上反応が起こるので危険』とイメージしておいてください。

乾電池1本での使用であれば、電圧が低下して起こる問題があるだけで、寿命が来れば取り替えればいいだけです。

1本だけで動かすDCモーターであれば、電流を流す力が低下して回転が遅くなり、最後は止まってしまいうだけですから、電圧が少しぐらい低下していても、それなりに使えますし、それを取り替えれば問題はありませんし、それが使いさしのものであっても少し回転が遅いだけで、危険ではありません。

しかし、2本以上をいっしょに使う場合は、電圧の低い電池や、異種の電池が混ざっていると、電圧の差や内部抵抗の差で、内部で変な化学反応が起きて危険が生じます。

直列の場合の内部抵抗の影響

この図は、直列した場合の乾電池を模式的に表していますが、使用すると乾電池の電圧(起電力)が低下するのは、化学反応の力が衰えて、起電力自体の発生量が落ちてくるか、内部抵抗が高くなって、電圧降下を引き起こす・・・というどちらかの理由によるのですが、一方の電圧が低くて、その内部抵抗が高いと、もう一方は、決められた電流を流そうと頑張りますし、電圧の低い方も同じ電流が流れるのですが、抵抗が大きくなっているので、無理がかかります。

そのような状態で使用していると、予期しない発熱や、液漏れ、ガスが発生して変形などが起きます。

このように、一方の起電力が低い場合や、一方の能力(容量)に差があると、どちらかの電池(普通は力の弱いほう)に余計な負荷をかかって、発熱やそれに起因する液漏れなどの不具合の原因になります。

近年の乾電池は、液漏れ対策も進んでいるのですが、それでも、このような間違った使い方をすると、液漏れや電池の変形が起きて、機器を破損します。

漏れた液はアルカリ電池もマンガン電池も水酸化カリウムなどの強アルカリ性ですので衣服や体につくと危険です。

必ず、2本以上の乾電池を使う場合は、同じ種類の新品の乾電池を同時に取り替えて使うということを頭に叩き込んでおいてください。

電圧を測って、「まだ使える」というものでも、少しの電圧差があると危険です。(新品のセット内では、実測すると、0.01V以下の電圧のばらつきで、ほとんど電圧が揃っていますから心配はありません)

輸入電池のおかげで、非常に安価になっているので、少しであっても、一度使った電池は「使わない」と考えておきましょう。

また、蛇足ですが、小さな電池といえども、ショートさせたりして、大きな電流を流すとジュール熱(電流の熱作用)による発熱によって、液漏れなどが起こりますので、ショートさせたり、正逆を間違えてセットすることのないように、間違った使い方は危険であるということをいつも考えておいてください。


(来歴)R4.9見直し

この記事を書いた人
きょくまめ

電気・電子や科学が好きなシニアです。
壊れた電気製品を直して嫌がられるなど、役に立つのか立たないのかわからないことをする趣味があるので、少しでも役に立ちそうなアイデアを紹介する記事を書いていこうと思っています。

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