二次電池は充電をすることによって繰り返し使うことができる電池である。自家用電気設備の二次電池としては鉛蓄電池とアルカリ蓄電池が主として用いられている。これらの蓄電池は商用電源のバックアップ用電源や自家用（非常用）発電機の始動電源として適用されている。鉛蓄電池は金属鉛の化学変化を利用した電池であり、既に約100年の歴史をもつ二次電池である。また、これまで種々の改良が行われ、品質的に安定した蓄電池でもある。
　二次電池はまた、携帯電話やノート形パソコンなどの携帯形の電子機器にも多用されている。この種の電子機器に用いられる二次電池としては、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池やリチウムイオン二次電池などがある。
　今回は自家用電気設備に多用されている鉛蓄電池のほか、携帯形の電子機器に使用されている二次電池について解説する。

（1）原　理

　鉛蓄電池は希硫酸の水溶液（電解液）に浸した金属鉛の化学反応を利用した電池である。鉛蓄電池の化学反応式を以下に示す。

　この反応式で左側から右側に反応する現象が放電であり、右側から左側へ反応する現象が充電である。鉛蓄電池は放電が進むに従って電解液の硫酸の濃度が低下するので、液の比重が低下する。逆に充電が進むに従って電解液の硫酸の濃度が上昇するので、電解液の比重が上昇する。
　充電が完了すると両電極の硫酸鉛はほとんど分解されて元の活物質に戻る。更に充電を続けると水の電気分解が生じ、陰極板から水素ガス、陽極板からは酸素ガスが発生する。このため、電解液の水（）成分が減少する。

（2）構　造

（a）電極材料

　鉛蓄電池にはペースト式とファイバクラッド式の2種類の電極が主として用いられている。

　①ペースト式極板

　鉛または鉛とアンチモンの合金、鉛とカルシウムの合金などに鉛酸化物を混ぜて希硫酸で練り上げ、ペースト状にしたものをグリッド（格子）に充填して乾燥させた後、化成したものである。 　ペースト式で作られた電極は鉛蓄電池の陰極に使用されるが、自動車用、小型運搬車用の蓄電池などは陽極板にも使用されることがある。

　②ファイバクラッド式極板

　ガラス繊維またはプラスチック繊維で作った多孔性のチューブを鉛合金製櫛状格子（心金）に通し、このチューブと心金間に鉛粉を充填する。そして、このチューブを化成して活物質化することで電極として形成したものである。
　チューブに活物質を充填する構造であるため活物質の脱落がなく、活物質と電解液との接触性がよい。この極板は振動を受けることのない据置き形の鉛蓄電池の陽極のほか、振動を伴う車両などの鉛蓄電池にも用いられる。

（b）隔離板（セパレータ）

　陽極と陰極との間の短絡を防止するために設けられる。隔離板は長時間の使用においても劣化せず、不純物が溶出することなく、また両極間のイオンの導通を妨げないものでなければならない。このような性質を具備する隔離板の材料として、微孔性ゴム板、多孔性プラスチック、樹脂セパレータなどがある。

（c）電　槽

　耐酸性がよく、しかも機械的強度が強いポリエチレン、ポリプロピレンや繊維強化プラスチックが用いられる。

（d）電解液

　鉛蓄電池では純粋な希硫酸が電解液として用いられる。この電解液は比重で管理され、20℃における比重値を標準としている。完全充電時の電解液標準比重は1.280である。

（3）鉛蓄電池の特性

（a）起電力

　鉛蓄電池の公称起電力は2.0Vである。必要に応じて複数のセルを直列に接続して高電圧を得る。ちなみに車両用の12Vのバッテリは内部を仕切り板で仕切り、鉛蓄電池を6セル直列に接続した構造をとっている。

（b）充電特性

　鉛蓄電池の起電力を ［V］、充電電流を ［A］、鉛蓄電池の内部抵抗を ［Ω］とすれば、充電電圧 ［V］は、

で求めることができる。
　鉛蓄電池の充電は、通常5時間ないし10時間程度の時間をかけて行う。鉛蓄電池を一定の電流（定電流）で充電したときの鉛蓄電池の端子電圧と電解液比重の一例を第１図に示す。充電が進行して端子電圧が2.35Vを超えると鉛蓄電池からガスが発生するとともに、端子電圧が急上昇する。更に充電が進むと一定電圧、一定比重に落ち着く。この状態になると電解液中の水の電気分解が起こり、鉛蓄電池の温度が急上昇する。

　第１図が示すように電解液の比重は、充電が進むにつれて上昇していくことが分かる。

（c）放電特性

　鉛蓄電池の起電力（開路電圧）を ［V］、放電電流を ［A］、鉛蓄電池の内部抵抗を ［Ω］とすれば、放電時の端子電圧 ［V］は、

で求めることができる。
　鉛蓄電池1セル当たりの放電容量は、放電終止電圧を低くとれば大きくすることができるが、放電終止電圧の低下に伴って、蓄電池はより深い放電をすることになる。このため蓄電池の活物質の劣化の進行が早まり寿命が短くなる懸念がある。このため第１表に示すように放電率によって放電終止電圧を定めている。

　また、放電電流が大きくなると（2）式に示すように電池の内部抵抗によって端子電圧が低下するので電池容量も低下する。第2図に放電率と放電容量を表した一例を示す。この図は5時間率（5HR）を基準電池容量（100%）としている。第2図に示すように短時間で放電させると鉛蓄電池の容量低下は著しくなる。

　ちなみに電池容量が200Ahの場合、前述の放電率での放電電流は次のように求めることができる。

①　1時間放電率（1HR）

②　3時間放電率（3HR）

③　5時間放電率（5HR）

　鉛蓄電池の単位時間当たりの放電電流が大きい場合、（2）式に示される内部抵抗 による電圧降下が大きくなるため端子電圧が低下する。第３図に鉛蓄電池の放電時間と端子電圧との関係を表した一例を示す。

（4）取扱い上の注意

（a）充　電

　充電が進むと前述したように鉛蓄電池の端子電圧が上昇した後、水の電気分解が起こり端子電圧は一定になる。この水が電気分解されるときに生ずる熱によって蓄電池の温度は上昇する。このとき電極活物質が劣化するとともに、特に陽極の格子の腐食が進むため電池の寿命に影響を及ぼす。
　また、充電中は陰極板から水素ガス、陽極板からは酸素ガスが発生する。水素ガス濃度が3.8%以上になると爆発するおそれがあるため、充電中は換気に留意するとともに，火を近づけたり、スパークさせたりしないことが必要である。

（b）放　電

　鉛蓄電池が設置されている周囲温度にも注意が必要である。低温環境下では鉛蓄電池の化学変化が鈍くなり、内部抵抗が増加する。このため電池容量が減少するため過放電領域まで使ってしまうおそれがある。また、鉛蓄電池は深い放電（充電された電気量を多く取り出す放電）と充電を繰り返す場合より、浅い放電と充電を繰り返すほうが電池寿命が延びる。
　ちなみに鉛蓄電池は放電が進むにつれて内部抵抗が増加し、放電終止時に最大の抵抗値を示す。これは放電反応に伴って電極板に導電性の悪い硫酸鉛が形成されるためである。また、放電した鉛電池を放置しておくと白色硫酸鉛が形成されるサルフェーション現象が起こる。いったんサルフェーションが起こった鉛蓄電池は、電池容量が減少し、元の容量を維持することができないので取扱いには注意が必要である。
　一方、鉛蓄電池を満充電した状態で全く放電させなかったとしても電池内部では化学反応が起こり、時間の経過とともに電池容量が低下する。これを自己放電という。このため鉛蓄電池を長期間にわたって放置しておくと自己放電して、やがては過放電となりサルフェーション現象が起こる。このため定期的に電解液の比重を計測して、放電が進んでいるようであれば充電を行う必要がある。
　おおむね１〜3か月程度に1回程度、自己放電を補う補充電を行えば十分である。

（c）周囲温度

　鉛蓄電池の充電完了時には、水の電気分解によって電池が発熱する。また、放電時は電池の内部抵抗が増加するため、内部抵抗によるジュール損が発生して電池温度が上昇する。このため充放電時は0〜40℃程度の周囲温度の範囲で使用することが望ましい。

（4）電解液の補水

　鉛蓄電池は充放電を繰り返すと徐々に電解液が減少し、液面が低下する。また、蓄電池を使わなくても電解液の水（）成分だけが蒸発して電解液がしだいに減少する。このため定期的に精製水を補水する必要がある。
　補水は規定液面の範囲内になるように注意して行う。補水最高液面を超えて補水すると充電時に液栓から漏液するおそれがある。逆に補水最低液面を下回った状態で放置しておくと極板が空気中に露出してしまい、極板を痛めるおそれがある。
　なお、補水時に鉛蓄電池内部に不純物が混入すると電池の極板を痛めて寿命が短くなることがあるので、不純物が入り込まないようすることも肝心である。

〜終わり〜
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