蓄電池にはどんな種類があるの?

どういう仕組みで蓄電するの?

 

 

車やスマホのバッテリーから、家庭や企業用の非常用電源まで、
「蓄電池」と一口に言ってもその種類は用途によって様々です。

蓄電池はもはや私たちの生活に無くてはならない必需品ですが、
その原理や仕組みについてはよく分からない方も多いのではないでしょうか。

 

今回は、蓄電池の仕組みを種類別に分かりやすく解説していきます。

 

鉛蓄電池の特徴とは?充電放電の原理や仕組みはコレ!

Original update by : 写真AC

 

では早速、蓄電池ごとにその特徴や、
充電放電の仕組みを見ていきましょう。

まずは一番歴史の古い「鉛蓄電池」から。

〇鉛蓄電池の特徴

鉛蓄電池は、1859年にフランスの科学者、
ガストン・プランテによって開発され、
蓄電池の中で最も古い歴史を持っています。

長所

  • 他の蓄電池と比べて容量当たりの価格が安く、コストパフォーマンスに優れている
  • 放電が安定している
  • メモリー効果が無い

 

*メモリー効果とは・・・
電気が残っている状態で継ぎ足し充電をすると、
本来の充電容量が減少してしまうことです。

短所

  • 他の蓄電池と比較して体積エネルギー密度、重量エネルギー密度が小さい
  • 使用回数の上昇に伴い性能が劣化する
  • 電解液に硫酸を使用するため、破損時に非常に危険
  • 極寒地では電解液が凍結、破損する恐れがある

用途

  • 自動車のバッテリー
  • 非常用電源
  • 電動車用主電源

 

〇充放電の仕組み

基本的にどの蓄電池も原理は同じですから、
まず、蓄電池の内部でどのようなことが起こっているのか解説していきます。

蓄電池の内部は、2つの電極(+と-)と電解質から構成されています。

マイナス極には「イオンになりやすい金属」、
プラス極には「イオンになりにくい金属」が使われています。

電池を回路に接続すると、マイナス極に溜まった電子がプラス極に流れます。

これを「放電」と呼びます。

 

「蓄電」は、放電の逆の化学反応で起こります。

放電時とは逆向きの、プラス→マイナスの電気を流すことで、
放電とは逆の化学反応を起こし、放電前の状態に戻し電気を蓄えるのです。

 

鉛蓄電池の場合、充放電に用いる物質は次の通りです。

-極
+極 二酸化鉛
電解液 希硫酸

 

①-極での化学反応

鉛を希硫酸につけると、鉛が硫酸に反応し「酸化」が始まります。

鉛は硫酸と結びつきやすい性質があり、
持っている電子を手放して硫酸とくっつこうとします。

鉛と硫酸がくっつくと「硫酸鉛」(サルフェーション)という固体になり、
-極板表面に付着していきます。

反応式にすると次のようになります。

Pb + HSO4 → PbSO4 + 2H+ + 2e

 

②電解液内の様子

電解液内では、硫酸が鉛と引き合うため硫酸の濃度が下がり、
代わりに水素が増えていきます。

③+極での化学反応

-極で鉛から放出された電子が電線を伝って+極に移動します。

この時電気が発生(放電)します。

反応式にすると次のようになります。

PbO2 + H2SO4 + 2H+ + 2e- → PbSO4 + 2H

 

リチウムイオン蓄電池の特徴とは?充電放電の原理や仕組みはコレ!

次にめまぐるしい開発を続ける、
リチウムイオン蓄電池」を見ていきましょう。

〇リチウムイオン蓄電池の特徴

リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池が開発された翌年の1991年に、
ソニーと旭化成により実用化された新しい蓄電池です。

長所

  • 他の蓄電池よりもエネルギー密度が高い
  • メモリー効果が無い
  • 自己放電が非常に少ない

短所

  • 過放電、過充電すると異常発熱の危険性がある
  • 大電流放電に適さない

用途

  • ノートパソコンや携帯電話・スマホのバッテリーなど

 

〇充放電の仕組み

蓄電池内部で起こっている事は、鉛蓄電池の原理と同じです。

リチウムイオン蓄電池に用いる物質は次の通りです。

-極 ・グラファイトなどの炭素材
・スズ
+極 ・リチウム含有金属酸化物
(コバルト酸リチウム)
・ニッケルやマンガン
電解液 有機電解液

 

リチウムイオン蓄電池に用いる素材は一つではありません。

それは、より小型軽量化、高機能化を目指して、
日々進化しているからです。

①-極での科学反応

-極では次のような化学反応が起こっています。

CLix → C + xLi+ + xe

 

② +極での化学反応

+極での化学反応式は次の通りです。

Li(1-x)CoO2 + xLi+ + xe- → LiCoO

 

リチウムイオン蓄電池の短所である安全面への不安を払しょくするために、
次のようなリチウム系の新しい電池が開発されています。

  • リチウムポリマー電池・・・ゲル状になっているので液漏れがない
  • リチウムフェライト電池・・発火の恐れがないが電圧が少し低い

 

ニッケル水素充電地の特徴とは?充電放電の原理や仕組みはコレ!

Original update by : 写真AC

リチウムイオン蓄電池の影響で、
影が薄くなってしまった「ニッケル水素電池」ですが、
今でも幅広い用途を持っています。

〇ニッケル水素充電池の特徴

1990年の実用化以降、
それまでの主流であったニカド電池の置き換えとして発展してきました。

長所

  • カドミウムを含まないため安全性が高い
  • ニカド電池よりも容量密度が高い
  • 内部抵抗が小さく、大電流放電が可能
  • ニカド電池と比べメモリー効果が小さい。

短所

  • 完全放電すると電池が劣化し容量の低下が起こる
  • 自己放電が大きい

用途

  • 乾電池型二次電池(エネループ等)
  • ハイブリッドカーの動力源

 

〇充放電の仕組み

充電池の内部原理は、上の鉛蓄電池と同じです。

ニッケル水素蓄電池に用いる物質は次の通りです。

-極 ・水素吸蔵合金
+極 ・オキシ水酸化ニッケル
電解液 ・アルカリ水溶液
(水酸化カリウム)

 

-極の水素吸蔵合金とは、
自分の体積の1000倍もの水素を蓄えることのできる金属であり、
ランタンなどの希土類金属とニッケルなどの遷移金属からなる合金のことです。

①-極での科学反応

MH + OH- → M + HO + e

②+極での化学反応

NiO(OH) + HO + e- → Ni(OH)2 + OH

 

ニッケル・カドミウム蓄電池の特徴とは?充電放電の原理や仕組みはコレ!

最後に「ニッケル・カドミウム蓄電池」を見ていきましょう。

〇ニッケル・カドミウム蓄電池の特徴

ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン蓄電池に押され、
存在感が随分薄くなってしまった、
「ニッケル・カドミウム蓄電池」=通称ニカド(ニッカド)ですが、
非常にパワフルなため、さまざまな用途でまだまだ現役です。

長所

  • 連続放電しても安定している
  • 内部抵抗が小いため、大電流放電が可能
  • 過放電状態で放置しても、充電により容量が回復する
  • 低温特性に優れ、低温時の電圧降下が少ない

短所

  • カドミウムが有害である
  • 自己放電が大きい
  • メモリー効果が大きい

用途

  • コードレス掃除機
  • コードレス電話
  • 電動工具
  • シェーバー
  • 非常照明

 

〇充放電の仕組み

原理は鉛蓄電池と同じです。

ニッケル・カドミウム蓄電池に用いる物質は次の通りです。

-極 ・カドミウム
+極 ・オキシ水酸化ニッケル
電解液 ・アルカリ水溶液
(水酸化カリウム)

 

①-極での科学反応

Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e

 

②+極での化学反応

NiO(OH) + HO + e- → Ni(OH)2 + OH

 

蓄電池は、鉛 → ニッケル・カドミウム → ニッケル水素 → リチウムイオン
へと、どんどん進化してきました。

しかし、リチウムイオンに用いられるコバルトなどの、
レアメタルが高騰しており、コストが掛かるという課題があります。

-極、+極、電解液それぞれに使用する素材を、
別の物に置き換える研究が進んでいますが、
安全性との兼ね合いもあり、なかなか進まないのが現状です。

 

まとめ

いかがでしたでしょうか。

代表的な4つの蓄電池について、
その特徴や充放電の仕組みを見てきました。

 

リチウムイオン

ニッケル水素

ニッケルカドミウム

長所 コストパフォーマンスに優れている 他の蓄電池よりもエネルギー密度が高い カドミウムを含まないため安全性が高い 連続放電しても安定している
短所 体積エネルギー密度、重量エネルギー密度が小さい 過放電、過充電すると異常発熱の危険性がある 完全放電すると電池が劣化し容量の低下が起こる カドミウムが有害である
-極 ・グラファイトなどの炭素材
・スズ
水素吸蔵合金 カドミウム
+極 二酸化鉛 ・リチウム含有金属酸化物
・コバルト酸リチウム
・ニッケルやマンガン
オキシ水酸化ニッケル オキシ水酸化ニッケル
電解液 希硫酸 有機電解液 アルカリ水溶液
(水酸化カリウム)
アルカリ水溶液
(水酸化カリウム)

 

使用する素材によって特徴が異なり、
その特徴を活かした用途を持っています。

 

今後ますます進化していく蓄電池ですが、
安全性とコストパフォーマンスの両方を兼ね備えた製品の、
研究が期待されています。