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【参考】リチウムイオン電池の劣化に関する調査メモ 〜電池の長寿命化〜 [MBA購入 その5]  [MacBookAirを買ってみました]

アップルappleのiPod、iPad、iPhone、Mac Bookの電池を長く使うためのノウハウを集めてみました。リチウムイオン電池の劣化メカニズムの考察 リチウムイオン電池の劣化原因を知る
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マックブックエアの電池を長持ちさせる方法を調査した際にに参照したサイトや参考書をこのページにまとめました。

電池を長持ちさせるノウハウについては、下記サイトをご覧下さい。

【検証】MacBookAirの電池を長持ちさせる方法は?~リチウムイオンバッテリー長寿命化のノウハウ~

 


 


◎アップル製品関連

アップル製品の電池を特定するためにチェックしたサイト。

(海外)MacBook Air 13" Mid 2011 Teardown

   
  MacBook Air 13インチ mid 2011 分解記事
  マックの分解写真。きれいな写真が並び、思わず見とれてしまいます。。。[黒ハート]

  電池の拡大写真(モデルNo.1377の表記あり)

 

   
・ATL (Amperex Technology)のリチウムポリマーバッテリーラインナップ
TDKグループの香港Amperex Technology Ltd.(ATL,新能源)製
 アップル関連製品(iPhone、iPad、Macbook)に使われている電池の供給メーカー。
  

 電池の仕様はこちらのサイトを参考にしました。
 http://www.atlbattery.com/eng/productseries.asp

 

   
MacBook Airのバッテリー設計(日経エレクトロニクス 2010年11月13日号)

 電池(セル)の構成が分かります。

 
 11インチ仕様は、35Wh(4.9Wh☓2+6.0Wh☓2+6.6Wh☓2)
 13インチ仕様は、12.5Wh☓4セル 合計50Wh

 

MacBook Airの電池を取りはずす動画(Macbook Air分解 日経エレクトロニクス)
    

 

iPadの電池(ipad分解 日経エレクトロニクス)

新型iPad(2012年3月発売)の電池(iFixtit - iPad 3 4G Teardown)

新型iPadの電池は、iPad2の25Whから42Whに。電気量は6944mAh→11666mAhまで約70%増加しています。 MacBookAirの電池(11インチで35Wh,13インチで50Wh)と比較すると、13インチのマックブックエアに近い容量の電池になっています。

iPhone4の電池(iPhone4分解 日経エレクトロニクス)
 

iPhone3Gの電池(iPhone 3G分解 日経エレクトロニクス)
   

iPod Shuffleの電池(iPod shuffle分解 日経エレクトロニクス)
   

iPod touchの電池(iPod touch分解 日経エレクトロニクス)

 

MacBookのバッテリーリフレッシュ方法など(ASCII.JP☓Mac People)
   

 


アップルで紹介されている電池関連のノウハウ

【アップル公式HP:バッテリー関連のサイト】

   

 ・ リチウムポリマーバッテリーについて
   

 ・ノートブックのバッテリーを最大限に長持ちさせるためのヒント

 

 

・バッテリー電力を最大限に活用する方法のアドバイス


ノートブックコンピュータ編
快適に動作する温度範囲は10℃~35℃、保管場所の温度範囲は-25℃~45℃と説明。
   

iPad編
バッテリー性能にダメージを与える最大の敵は、高温です」と表記。
快適に動作する温度範囲は0℃~35℃と説明。ノートブックよりも利用可能温度が低温側に-10℃広がっています。

 

iPhone編
バッテリー性能に最もダメージを与える原因は高温です。そのため、iPhoneを直射日光の下や高温になる車の中(ダッシュボードなど)に放置しないことがまずなにより重要です。」と説明。

また「iPhoneをキャリングケースに入れたまま充電すると、余分な熱が発生し、バッテリー容量に影響を与える恐れがあります。充電中にiPhoneが熱くなりすぎたら、まずケースから取り出しましょう。」という注意も。

 

iPod編
バッテリー消費を抑えるヒントが載っています。  
    

 

 


 


 

  
◎電池関連のサイト


社団法人 電子情報技術産業協会
ノートPCリチウムイオン電池安全利用特別委員会

 


バッテリパックを長持ちさせるためのヒントを教えてください
 
ノートパソコンに搭載されたバッテリパックは、次の事項に注意することで、機能低下を比較的遅くすることができます。

・ バッテリパックやパソコンを、高温の環境下に放置しないでください。

・ 主にACアダプタを装着してパソコンを使用し、バッテリパックの電力をほとんど使用しないとなど、100%の残量近辺で充放電を繰り返すとバッテリパックの劣化を早めることがあります。

・ パソコンを使用しない時は、ACアダプタをコンセントから外しておくと 満充電での劣化の防止になります。また、省エネにも良い使い方です。


・ 1ヵ月に一度は、ACアダプタを外してバッテリパックだけでパソコンをご使用ください。


・ 1ヵ月以上の長期間バッテリパックを使わないときは、本体からバッテリパックを外して、風通しの良い場所に保管してください。


・ バッテリパックをパソコンから取り外して保存するときは、劣化を防ぐために50%以下の容量にしてください。


・ パソコンの省電力マネージャーなどを使用して、最適な電源設定を選択してください。

 

ノートパソコンの蓄熱を防ぐ
 
バッテリパックを使用したノートパソコンは、次のとおり使用環境に注意してください。

 

・ バッテリパックは通常の使用でも熱くなるため、膝の上などに置いて使用しないでください。

・ バッテリパックやノートパソコンを、高温の環境に放置しないでください。


・ ノートパソコンをソファーやベッド、カーペットといった柔らかいものの上で使用しないでください。このように使用すると、通風口を防ぐことになり、オーバーヒートの原因になります。

 

 

 

   
リチウムイオン電池の話』 株式会社ベイサン 
   

劣化したノートパソコンのバッテリーパック内部電池を交換するサービスを提供する「ベイサン」のホームページにあるリチウムイオン二次電池に関する技術情報。

かなり専門的な内容で、MacBook Airの電池挙動を検証する際に参考になりました。

 

 

充電方法(定電流定電圧 パルス充電】(株式会社ベイサン)
  

充電方法に関する詳細な技術的解説。

MacBookAirの充電最高電圧は4.1~4.2Vの間に制御されています。上記ページによれば最高電圧を4.1Vにすると、最高電圧を4.2Vに設定した場合と比較して電池容量は約10%低下するものの、サイクル寿命は非常に改善されると説明されています。

 

 

メモリー効果と継足し充電】(株式会社ベイサン)
  

リチウムイオン電池は保存状態により劣化の程度が変化します。満充電に近く、保存温度が高いほど容量劣化が大きくなります。 たとえば充電量が30%以下で、保存温度が15℃以下であれば、1年間の保存でも数%の容量劣化で収まります。 一方、満充電で45℃で保存すると、6ヶ月でも場合によっては60%程度の容量レベルにまで劣化することもあります。

 

 

リチウムイオン電池を上手に使う方法】(株式会社ベイサン)

満充電状態で高温の保存が、リチウムイオン電池は非常に有害であるということです。

 

 

セルバランス】(株式会社ベイサン)
 
ノートパソコンのように複数のセル(電池)を組み合わせて使用している場合、セルによって性能にばらつきがあると性能の低いセルが原因でバッテリーパック全体の容量が見かけ上低下したように動作する点にも注意が必要なようです。

  
なお、Macbook Air 11インチモデルでは3種類の容量のセルが各2個ずつ、13インチモデルでは同一サイズのセルが4個使われています。

 

 

 


How to Prolong Lithium-based Batteries(リチウムイオン電池の寿命をのばす方法)(英語)

さまざまな電池に関する技術情報を集めた海外のサイト。

リチウムイオン電池の劣化現象についてさまざまな実験結果が出ています。

 

<電池の劣化に関する項目のメモ>

リチウムイオン電池は放電率が低い領域で使うようにすると電池が長持ちする。リチウムイオン二次電池はニッケル水素電池のよなメモリー効果がないので、部分的に利用する点は問題ない。
 
温度の制限:温度は30℃以上、電圧は4.1V以上で電池の劣化が起こるので、それ以下の条件での使用を推奨。
 
満充電状態の電池を高温に放置する方が、充放電を繰り返すよりもダメージが大きい。
 
充電電圧が低い方が寿命が長持ちする。
 
室温下で長期間電池を保管する場合は、メーカーは40%充電率での保管を推奨。

 

 

◎劣化したリチウムイオン二次電池の分析(東レリサーチセンター)TRC

東レの分析部門である東レリサーチセンターのホームページには、長期使用後に劣化した電池の電極や部材の分析方法や分析例が掲載されています。

 リチウムイオン二次電池劣化品(長期使用品)と新品の各部材の比較分析結果 

 

劣化した電池の負極電極の表面および深さ方向の分析結果。

劣化した正極材料にはクラック(ひび割れ)が入っている。 

劣化した負極材表面には長期使用品の活物質粒子表面は、微粒子状の物質に覆われており、凹凸が顕著であることがわかった。また、長期使用にともなう皮膜形成の進行が示唆された。リチウムイオン電池関連の本 リチウムイオン ポリマーバッテリー ベルコア 特許 ゲル


・・・

 

<本の情報>

・・・ 

リチウムイオン二次電池に関する本もチェックしました。

 

  

リチウムイオン二次電池―材料と応用

リチウムイオン二次電池―材料と応用

  • 作者: 芳尾 真幸 , 小沢 昭弥著
  • 出版社/メーカー: 日刊工業新聞社
  • 発売日: 2000/01
  • メディア: 単行本

 

 

大学の研究者およびメーカーの技術者といった執筆陣によるリチウムイオン2次電池の専門書。リチウムイオン2次電池に関する開発史、原理、構成部材、製造方法、用途など、学問的な総説から実用面の解説から出版当時(2000年)の各電池メーカーによる電池の紹介まで、リチウムイオン2次電池に関して多岐に渡る内容。

専門用語が多く技術系の方でないと若干理解するのが難しいところもありますが、この一冊があればリチウムイオン二次電池の技術を俯瞰することができます。

リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高い反面、本質的に「危険」な電池でもあり、危険のリスクを避けるために不安定状態になる過充電・過放電や過熱状態に対して何重もの安全対策を施されていることが分かりました。

本書の第12章では「リチウムイオン電池用充電器の設計」と題してミツミ電機(株)の東島泰久氏が充電制御の原理や充電シーケンスについて解説しています。

リチウムイオン二次電池の充電方法についてより詳しく知りたい方は参照する価値があると思います。

 

 

 

リチウムイオン二次電池の話―ポピュラー・サイエンス (ポピュラーサイエンス)

リチウムイオン二次電池の話―ポピュラー・サイエンス (ポピュラーサイエンス)

  • 作者: 西 美緒
  • 出版社/メーカー: 裳華房
  • 発売日: 1997/05
  • メディア: 単行本

      

ソニーの技術者によるリチウムイオン電池の解説書。電池の歴史にはじまり、リチウムイオン電池の原理、構造、部材、安全性、製造プロセス、サイクル劣化、特徴と用途まで広く平易に説明されています。

読みやすい文章で、技術的なバックグラウンドがなくても理解しやすいと思いました。

 

気になる「電池の劣化」に関して、いくつか解説が。

・高温&満充電状態での劣化について(P.105-106)
完全充電状態の電池を高温(とくに60℃以上)で貯蔵すると、劣化が大きいので、保存環境には注意が必要。

・過放電について(P.105-106)
過放電により電圧が0V付近まで到達すると、負極の集電体である銅の溶出が始まり、電池容量が著しく劣化する。

・サイクル劣化について(P.97)
電池を構成する各部材のインピーダンス(抵抗)測定から、サイクル劣化の要因は負極であると推定。負極の滑物質であるカーボン(炭素)の表面が付着物で覆われている。この付着物はリチウムイオン移動の障壁となる。 劣化前後の負極のSEM(電子顕微鏡写真)や劣化した電極の模式図あり。

 

 

 

リチウムイオン電池物語―日本の技術が世界でブレイク (CMC books)

リチウムイオン電池物語―日本の技術が世界でブレイク (CMC books)

  • 作者: 吉野 彰
  • 出版社/メーカー: シーエムシー出版
  • 発売日: 2004/09
  • メディア: 単行本

 

リチウムイオン二次電池の生みの親である旭化成の吉野氏によるリチウムイオン電池開発にまつわる本。著者は日経エレクトロニクスの電池関係の記事にもよく登場する方です。

技術的な硬い内容の本が多い中で、ソフトな文章がユニーク。

リチウムイオン二次電池に興味のある方であればぜひおすすめしたい一冊。

 

 

   

自動車用リチウムイオン電池

自動車用リチウムイオン電池

  • 作者: 金村 聖志
  • 出版社/メーカー: 日刊工業新聞社
  • 発売日: 2010/12
  • メディア: 単行本

   

2010年に出版されたリチウムイオン二次電池に関する本。「自動車用」とタイトルがついていますが、リチウムイオン二次電池についてひと通り解説されています。

電池の劣化モデルや劣化抑制手段の例も紹介されていました。

・リチウムイオン電池の寿命について(P.50)

寿命に関しては、活物質(正極および負極の材料)自体よりも、活物質を使用して作成した多孔質電極に由来する問題が多い。

経年劣化により、セルのインピーダンス(抵抗)が上昇する。

 

・電池の劣化のメカニズムの推定

多孔質電極内部に酸化生成物が蓄積。

        ↓

電極のイオン伝導性が低下。

        ↓

電極のインピーダンスが増加(=電池が劣化)

 

 

図解 革新型蓄電池のすべて

図解 革新型蓄電池のすべて

  • 作者: 小久見 善八
  • 出版社/メーカー: オーム社
  • 発売日: 2011/11
  • メディア: 単行本

 

リチウムイオン二次電池を代表する現代の二次電池および企業や研究機関で開発されている次世代電池について解説した本。リチウムイオン電池に関しては正極材、負極材の説明から電池の製造工程、さらに電池のリサイクルまで幅広くテーマが取り上げられています。電池の劣化機構に関しては残念ながら解説はありませんでした。

リチウムポリマー電池に関して、「ポリマーを用いて電解液を擬固体化するリチウムポリマーゲル電池」が正しい定義ですが、中国や韓国では単に電池の外装材にアルミラミネートフィルムを用いただけで「ポリマー電池」と称することもあるそうです。MacbookAirで使われている電池はどちらなのでしょうか?

ポリマーゲル電解質形成用非架橋系ポリマー PAN

 

リチウム二次電池

リチウム二次電池

  • 作者: 小久見 善八 京都大学 大阪大学
  • 出版社/メーカー: オーム社
  • 発売日: 2008/03
  • メディア: 単行本

 

題名の通り、リチウム二次電池に特化した専門技術書。リチウムイオン電池に関する総説。特に電池の電極反応や正極、負極、電解液や電解質といった主要部材の材料設計などが重点的に解説されています。電池の劣化機構に関しては残念ながら詳しい説明がありませんでした。

<携帯電子機器用二次電池> (リチウムイオン二次電池を)組電池とするためには、それぞれの単電池の性能が優れていることに加えて、電池の性能がよくそろっていることが必要である。それは、組電池にすると一番性能の低い電池によって全体(の容量)が制約され、また性能の低い電池の劣化が加速されるようになる場合が多いからである。(P.193)

一般に、リチウムイオン電池は高いSOC(高電圧)に保たれると劣化速度が加速する。(P.195)

   ポリアクリロニトリル PMMA ポリメタクリル酸メチル PVP ポリビニールピロリドン PVDF ポリフッ化ビニリデン PVDF−HFP ヘキサフルオロプロピレン 共重合体 高分子ゲル電解質  電子線架橋 紫外線架橋 三洋電機 ソニー ベルコア 特許 範囲

ポリマーバッテリー (CMCテクニカルライブラリー)

ポリマーバッテリー (CMCテクニカルライブラリー)

  • 作者:
  • 出版社/メーカー: シーエムシー出版
  • 発売日: 2004/08
  • メディア: 単行本

リチウムポリマー電池 LIPO lithium Polymer ラジコン用途 中国製 台湾製 

二次電池用途のポリマー材料について学会および民間企業の開発者が執筆した本。(残念ながら電池の劣化現象に関する記載はありませんでした。)主にリチウムイオン二次電池用材料に焦点が当てられています。ポリマー電解質に関する本は少ないので、リチウムイオンポリマー電池に使われている材料について調べたい場合には重宝する一冊。

導電性ポリマーでノーベル賞を受賞した白川英樹先生によるポリアセチレンの記述もあり、1970年代の終わりに発見されたポリアセチレンの化学ドーピングや可逆電気ドーピングの研究が、リチウムイオン二次電池の開発に大きく影響していたことを初めて知りました。

 

よくわかる電池 (入門ビジュアル・テクノロジー)

よくわかる電池 (入門ビジュアル・テクノロジー)

  • 作者:
  • 出版社/メーカー: 日本実業出版社
  • 発売日: 2006/06/30
  • メディア: 単行本

 

電池の歴史にはじまり、各種一次電池および二次電池の特徴と課題をコンパクトにまとめた一冊。リチウムイオン二次電池のトップシェアを誇る三洋電機が監修しているだけあって、それぞれの電池の課題点が明快に説明されている点に好感を持ちました。

 

電池の歴史に関しても、バグダッド電池〜ガルバーニの「動物電気」〜ボルダ電池〜ダニエル電池〜グローブ電池〜ブンゼン電池〜ルクランシェ電池〜ガスナー電池〜屋井電池・・・と丁寧に説明されていて、電池の開発史が分極や自己放電をいかに抑制するか、ということに重きをおいていたことが分かり、とても勉強になります。電池の歴史を知れば現在の電池の位置づけがよく理解できる、という点でおすすめの一冊。

マンガン乾電池 アルカリ乾電池 ニッケル系一次電池 酸化銀電池 リチウム電池 フッ化黒鉛リチウム電池 塩化チオニルリチウム電池 二酸化硫黄リチウム電池 空気電池 海水電池 熱電池 化学電池 物理電池 太陽電池 シール鉛電池 ニカド電池 ニッケル亜鉛電池 ニッケル鉄電池 金属リチウム電池 ナトリウム硫黄電池 レドックスフロー電池 燃料電池 固体高分子型 溶融炭酸塩型燃料電池 ダイレクトメタノール型燃料電池 コージェネシステム     

新しい電池の科学 (ブルーバックス)

新しい電池の科学 (ブルーバックス)

  • 作者: 梅尾 良之
  • 出版社/メーカー: 講談社
  • 発売日: 2006/09/21
  • メディア: 新書

 

松下電池工業出身の技術者による最近の電池に関する解説書。最近の電池の特徴についてひと通りまとめられています。 リチウムイオン二次電池の使い方に関しては、「リチウムイオン二次電池を保存する場合は、目安として電池容量を30〜50%程度にして常温で保存します。また、過放電防止のため、年1回程度、制限いっぱいの深い充放電をしておくことが望ましいでしょう」と解説がありました。

サルフェーションとは、放電時に生成した硫酸鉛が固い結晶になる現象。鉛蓄電池で生じる。

電池の寿命 劣化の原因 過充電、過放電、ドライアウト(電解液が蒸発や分解反応により消失する現象)、ショート(プラス極とマイナス極がデンドライトなどで接触して大電流が流れる現象) 

 

リチウムイオン二次電池に限らず、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池の充電および応用回路の技術的解説書。この本を読んで、前のブログ記事で提示したMacBookAirのデータの充電挙動のグラフが理解できました。 

かなり専門的な本ですが、この本を読めば二次電池の充電回路がどのような考え方で設計されているのか理解できると思います。個人的にはP.129〜134にあるニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池を過充電した際に温度が急上昇したり、電圧が急激に上昇したり、電池が膨張したりする・・・といった挙動変化を追った過激な観察記事がいちばん楽しめました。

 

 

 


 

<関連サイト>

 

【検証】MacBookAirの電池を長持ちさせる方法は?~リチウムイオンバッテリー長寿命化のノウハウ~

   

 ・ リチウムイオン二次電池(Wikipedia)

 ・ リチウムポリマー二次電池(Wikipekia)

 ・ リチウムイオン二次電池の異常発熱問題(Wikipekia)
iPhone4 アップグレードしてOS4.3.1にすると発生する問題 電池の消費が激しい。気づかないうちに作動しているアプリがバッテリーを消費している。電池の持ちが悪い。電池残量を常にチェックするようになった。

     

   
MacBook用の予備バッテリー モバイルバッテリー サードパーティ製 
  
   
   

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◎MacBook Air/Pro用の携帯バッテリー

MacBook Airをコンセントがない場所で長く使いたい場合は、予備バッテリーを調達しなくてはなりません。
 
マックで使えるバッテリーがあるのか調べたところ、アクト・ツーから発売されているMacBook向けモバイルバッテリー「HyperJuice」シリーズを使えば可能であることが分かりました。
 
なお、MacBookに使う場合は、別途Magsafe Airline Adapterが必要です。

・HyperJuiceは3種類あります。USBポートが付いているので、MacBookと同時にiPodやiPhoneも充電できます。

 MacBook Airの電池は、11インチモデルが35Wh、13インチモデルが50Wh。

下記製品の容量はそれぞれ60Wh、100Wh、150Whなので、このバッテリーを使えばMacBookの使用時間がかなり伸びますね[わーい(嬉しい顔)]

 

  ・60Whモデル    ・100Whモデル   ・150Whモデル

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iPhoneやアンドロイド携帯は電池容量が足りず、すぐに電池切れになってしまうのが悩み。なるべく電池を長持ちさせたいものです。 

【iPhone4用の増設バッテリー】

iPhone4の背後にセットして一体化する増設バッテリーも見つけました。

iPhone4の電池は1400mAhなので、この数字を目安にすれば従来の何倍ぐらい電池が長持ちするか計算できます。

 

 ・1500mAhモデル    ・3000mAhモデル

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スマートフォン・アンドロイド携帯は電池消耗が激しいので、別売りの電池パックを携帯していざというときの電池切れに備えています。

【スマートフォン・モバイル機器向けの電源パック】

USBケーブルを介して充電するタイプの携帯型バッテリー。

容量別に並べてみました。

 

 ・4000mAh(ソニー)

・・・・・・

  

 ・5400mAh(パナソニック、三洋)

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 ・9600mAh

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携帯用の大型バッテリー。iPhoneとの接続ケーブル付属。

    

 


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・MacBook対応 バッテリー単品

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マックブックエア本リチウムイオン電池 劣化 原因 メカニズム 劣化要因 組電池の劣化リチウムイオン電池 関連メーカー

電池メーカー ソニーエナジーテック ATB エー・ティー・バッテリー 旭化成 東芝電池 コークス 新日鉄 松下電池工業 三洋電機 日本電池 ジーエス・ユアサ GSメルコテック 三洋ジーエス 日立マクセル 新神戸電機 日本電気 NEC NECモリエナジー NECトーキン NECラミリオンエナジー 三菱化学 ダイヤセルテック LGケミカル 三星SDI ATL BYD 

素材メーカー 日本化学工業 日亜化学 本荘ケミカル 田中化学研究所 戸田工業 東ソー 住友大阪セメント 日本電工 旭化成 住友化学 宇部興産 東燃ゼネラル石油 ステラケミファ 三菱化学 昭和電工 日立化成工業 日本カーボン JFEケミカル BTR 上海杉杉 大阪ガスケミカル クレハ 呉羽化学工業 日本ゼオン JSR 三井鉱山 関西熱化学 timcal コバルト酸リチウム LiCoO2 天然黒鉛 人造黒鉛 ソフトカーボン ハードカーボン シリコン チタン酸リチウム  

 


 

 

<当ブログ内 MacBook Air 関連サイト>

 

◎ Macbook Air - 電池関連 - 

 ・ 【検証】MacBookAirの電池を長持ちさせる方法は? ~リチウムイオンバッテリー長寿命化のノウハウ~

 

 ・ 【経過報告】MacBook Air:一ヶ月半使用後のバッテリー劣化状況を調べてみると・・・

 

◎ MacBook Air - その他 - 

  
  
   
 
   
 
 
   
 
  

 

 ・ 【実録】少ない投資でWindowsのソフトをMac上で動かしたい!〜「CrossOver Mac10」は便利! 


 ・ 【レビュー】Mac Book Air 13inchモデル(mid 2011)を買いました&おすすめの解説本 

 

 

 

 

 

 


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