鉛蓄電池
PlatesEdit
鉛電池は 2 つの電極に鉛の板を使って実演することも可能です。
ガストン・プランテは、より大きな有効表面積を提供する方法を発見しました。 正極板と負極板を2枚の鉛箔の螺旋状にし、布切れで仕切って巻き上げるというものである。 当初は容量が小さかったため、鉛箔を腐食させて二酸化鉛を発生させ、粗面化して表面積を増やす「成形」という工程をゆっくり行う必要があった。 当初は一次電池の電気を利用していたが、1870年以降に発電機が使えるようになると、電池の製造コストは大幅に低下した。
1880年、Camille Alphonse Faure は、酸化鉛、硫酸、および水を混ぜたペーストで導電体である鉛グリッドをコーティングし、その後、高湿度環境で穏やかに熱にさらす硬化段階で、特許を取得しました。 この硬化過程でペーストは硫酸鉛の混合物に変化し、鉛板に付着する。 そして、電池の初期充電時（「形成」と呼ぶ）には、板上の硬化したペーストが電気化学的に活性な物質（「活物質」と呼ぶ）に変化している。 この方法によって、鉛蓄電池の製造にかかる時間とコストが大幅に削減され、プランテ社の電池に比べて容量が大幅に増加した。
フォールが開発したグリッドは、純鉛製で、鉛の連結棒が直角に配置されていました。 これに対し、現在のグリッドは、機械的強度を高め、電流の流れをよくするための構造になっています。 グリッドのパターンの違い (理想的には、プレート上のすべての点が電力導体から等距離にあること) に加えて、現代のプロセスでは、グリッドの上に薄いガラス繊維のマットを 1 ～ 2 枚貼り、重量をより均等に分散させるようにしています。 また、フォーレはグリッドに純鉛を使っていたが、1年後（1881年）には、構造の剛性を高めるために鉛-アンチモン（8〜12％）合金に取って代わられた。 しかし、アンチモンの多い電極は水素の発生が多く（電池が古くなると発生も早くなる）、アウトガスが多くなり、メンテナンスコストが高くなる。 これらの問題は、1930年代にベル研究所のU・B・トーマスとW・E・ヘリングによって指摘され、1935年に米国の電話網の待機電力用電池として鉛-カルシウムグリッド合金が開発されるに至ったのである。 その数年後、ヨーロッパで鉛-セレン合金が開発された。 鉛-カルシウムおよび鉛-セレングリッド合金は、アンチモンを添加しているが、以前の高アンチモングリッドよりもはるかに少量であり、鉛-カルシウムグリッドはアンチモンが4〜6％であるのに対し、鉛-セレングリッドは1〜2％である。 このような冶金的な改良により、グリッドはより強くなり、より多くの重量、つまりより多くの活物質を運ぶことができるようになり、その結果、プレートをより厚くすることができ、電池が使用不能になる前に排出できる物質がより多いので電池寿命に貢献する。 高アンチモン合金グリッドは現在でも頻繁なサイクル使用を目的とした電池に使用されている。例えば、モーター始動用途ではプレートの頻繁な伸縮を補正する必要があるが、充電電流が低いためアウトガスが顕著でない場合である。 1950年代以降、待機電力用電池のような頻繁でないサイクル用途の電池には、水素発生が少なくメンテナンスコストが低い鉛-カルシウムまたは鉛-セレン合金のグリッドが多く採用されるようになった。
開放回路効果は、カルシウムをアンチモンに置き換えたときに観察された、電池のサイクル寿命の劇的な損失である。
今日のペーストには、カーボン ブラック、ブラン フィックス (硫酸バリウム)、リグノスルホン酸塩が含まれています。
現代のペーストには、カーボンブラック、ブランフィクス（硫酸バリウム）、リグノスルホン酸が含まれており、ブランフィクスは硫酸鉛反応の種結晶として作用する。 ブランフィクスはペースト中に完全に分散していないと効果がない。 リグノスルフォネートは、放電サイクル中に負極板が固まりを形成するのを防ぎ、代わりに長い針状のデンドライトの形成を可能にする。 この長い結晶は表面積が大きく、充電時に容易に元の状態に戻る。 カーボンブラックは、リグノスルホン酸塩による生成抑制効果を打ち消します。 スルホン化ナフタレン縮合物分散剤は、リグノスルホン酸塩よりも効果的な膨張剤で、形成を早める。 この分散剤は、ペースト中の硫酸バリウムの分散を改善し、ハイドロセット時間を短縮し、より割れにくいプレートを作り、細かい鉛粒子を減少させ、それによってハンドリングとペーストの特性を改善します。 充電終了電圧を上げることにより、電池寿命を延ばします。 スルホン化ナフタレンは、リグノスルホン酸塩の約 3 分の 1 から半分の量を必要とし、高温に対して安定です。
乾燥後、プレートは適切なセパレータで積層され、電池容器に挿入されます。
乾燥したプレートは、適切なセパレータとともに積層され、セル容器に挿入されます。その後、プレートは交互に正と負の電極を構成し、セル内で互いに（負から負、正から正）並列に接続されます。 セパレーターは、プレート同士が接触して短絡するのを防ぐ。 浸水型電池とゲル型電池では、セパレータは絶縁レールまたはスタッドで、以前はガラスまたはセラミック製、現在はプラスチック製である。 AGM電池では、セパレータはガラスマットそのものであり、セパレータ付きのプレートラックは、セルに挿入する前に一緒に押しつぶされる。 マルチセルバッテリーでは、セルはセル壁を貫通するコネクター、またはセル壁を覆うブリッジによって、互いに直列に接続される。 すべてのセル内およびセル間の接続は、グリッドに使用されているものと同じ鉛合金である。
深層サイクル電池は、正極の形状が異なっています。 正極は平らな板ではなく、酸化鉛の円柱や筒を並べたもので、その形状を筒状、円筒状と呼ぶ。 このため、電解液に接する表面積が大きくなり、同じ体積、同じ充電深度の平板型セルよりも放電電流、充電電流が大きくなる利点がある。 チューブラー型電極セルは、平板型電極セルよりも出力密度が高い。 このため、フォークリフトや船舶用ディーゼルエンジンの始動など、重量やスペースに制限のある大電流用途に特に適している。 しかし、チューブ／シリンダーは同じ体積内の活物質が少ないため、平板型セルよりもエネルギー密度が低くなってしまう。 また、電極の活物質が少ないということは、電池が使用できなくなるまでに排出できる物質が少ないということでもある。 また、チューブ状／円筒状の電極は、均一に製造するのがより複雑で、平板型セルよりも高価になる傾向がある。
定格 60 A h 前後の自動車用鉛蓄電池の重量の約 60% は鉛または鉛製の内部部品で、残りは電解液、セパレーター、およびケースです。 たとえば、典型的な 14.5 kg (32 ポンド) のバッテリーには、約 8.7 kg (19 ポンド) の鉛が含まれています。
セパレーター
正極板と負極板の間のセパレータは、物理的接触による短絡を防ぎます。ほとんどは樹状突起(「ツリー化」)によるものですが、活性物質の脱落によるものもあります。 セパレータは、電気化学セルのプレート間のイオンの流れが閉回路を形成することを可能にします。 セパレータには、木材、ゴム、ガラス繊維マット、セルロース、PVCやポリエチレンプラスチックなどが使われてきた。 木材は当初から使われていたが、酸性電解質で劣化してしまう。
効果的なセパレーターは、透水性、多孔性、孔径分布、比表面積、機械的設計と強度、電気抵抗、イオン伝導度、および電解質との化学的適合性など、多くの機械特性を持たなければなりません。 使用時には、酸や酸化に対する優れた耐性を持つことが必要です。 セパレータの面積は、プレート間の材料の短絡を防ぐために、プレートの面積より少し大きくなければならない。
吸水性ガラスマット (AGM) 編集
吸収性ガラスマット設計、略してAGMでは、プレート間のセパレータは、電解液に浸したガラス繊維マットに置き換えられています。 そのため、電池に穴が開いても、電解液がマットから流れ出ることはありません。 過充電や充電（充電電流が過大の場合）時に発生する水素ガスや酸素ガスは、ガラスマットを自由に通過し、それぞれ対向板を還元または酸化させることができます。 浸水型電池では、ガスの泡は電池の上部に浮き上がり、大気中に放出される。 このように、発生したガスが再結合する仕組みと、電池ケースに穴を開けても電解液が実質的に漏れない半飽和電池の利点により、電池は完全に密閉され、携帯機器などに有用となるのである。
水分の損失率を減らすために、カルシウムがプレートと合金化されていますが、電池が深く、または急速に充電または放電されると、ガスの蓄積が問題になります。
バッテリーケーシングの過圧を防ぐために、AGM バッテリーは一方向のブローオフバルブを含み、しばしば「バルブ制御鉛酸」または VRLA 設計として知られています。
AGM設計のもうひとつの利点は、電解液がセパレータ材料となり、機械的に強くなることです。
AGM 設計のもう 1 つの利点は、電解液がセパレーター材料になり、機械的強度が増すことです。
マットはまた、電池内の電解液の垂直方向の動きを妨げます。 通常の湿式電池を放電状態で保管すると、重い酸の分子が電池の底に沈んで、電解液が成層化する傾向があります。 そのため、電池を使用する際には、この部分にのみ電流が流れ、電池底面の消耗が激しくなる。 これが、従来のカーバッテリーを長期間放置して使用・充電するとダメになる理由のひとつです。 マットはこの成層化を大幅に防ぐため、定期的にバッテリーを振ったり、煮沸したり、電解液を混ぜるための「均等充電」を行う必要がない。
AGM電池は水を入れることができませんが（通常、電池に穴を開けずに水を加えることは不可能です）、その再結合プロセスは、通常の化学プロセスによって根本的に制限されています。 水素ガスは、プラスチック ケース自体を透過して拡散することさえあります。 AGM電池に水を加えることは有益であることを発見した人もいますが、これは電池全体に拡散して水が混ざるようにゆっくりと行う必要があります。 鉛蓄電池は、水がなくなると酸濃度が上がり、電池板の腐食速度が著しく速くなります。 AGM電池は、水切れ率を下げて待機電圧を上げようとするため、すでに酸濃度が高くなっており、鉛アンチモン浸漬型電池に比べて寿命が短くなります。 AGM 電池の開放電圧が 2.093 ボルト、または 12V 電池の場合は 12.56 ボルトよりかなり高い場合、浸水型電池より酸の含有量が多くなります。
故意または過充電の AGM 電池は、失われた水分 (と増加した酸濃度) に応じて開放電圧が高くなります。 この解放された水素と酸素の一部は再結合しますが、すべてではありません。
ゲル化電解質の編集
1970年代、研究者は電解液にシリカゲル化剤を混合した密閉型またはゲル電池を開発しました (1930年代初頭から携帯ラジオで使用されていたシリカゲルベースの鉛蓄電池は、完全には密閉されていませんでした)。 これにより、従来は液体であったセル内部が半硬質のペースト状になり、AGMと同じような利点が得られる。 また、蒸発しにくいため、定期的なメンテナンスが必要な場合にも使用される。
唯一の欠点は、ゲルが電解質中のイオンの急激な運動を妨げるため、キャリアの移動度が低下し、サージ電流の能力が低下することです。 このため、ゲル電池は、オフグリッド システムのようなエネルギー貯蔵アプリケーションで最もよく見られます。