二次電池について(２)ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池 | 音声付き電気技術解説講座

二次電池について(２)ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池長門国際特許事務所　山崎　靖夫

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。ここでは、二次電池の第二弾として、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池について解説する。

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※テキスト中の図はクリックすると大きく表示されます

　ニッケルカドミウム電池は大出力放電が可能であり、サイクル特性が良く、過充放電に強いという特徴を備えている。

（1）原　理

　ニッケルカドミウム電池はニッケル酸化物を正極に、カドミウム化合物をごく薄くシート状にした電極を負極とし、これらの電極における化学変化を利用した充放電可能な二次電池である。この電池の放電反応式を以下に示す（充電は右側から左側への反応）。

（2）構造

　ニッケルカドミウム電池を正極の構造で分類すると、焼結式と発泡メタル式とに分けることができる。前者はニッケル粉末の焼結基板に水酸化ニッケルを充填した電極構成であり、後者は高多孔度の発泡ニッケル基板に水酸化ニッケルを充填した電極構成をとっている。
　焼結式は大出力放電特性、サイクル特性、経済性に優れている。このため電動工具や玩具などのような瞬間的に大電流を必要とする用途に適した電池である。一方、発泡メタル式は焼結式に比べてエネルギー密度が高く（約160Wh/l ）、携帯用電子機器、各種事務機器、音響機器などの電源として用いられている。
　ニッケルカドミウム電池は、正極と負極との間にポリプロピレンなどを用いたセパレータと呼ばれる薄い不織布が挟み込まれて、これら3層から成る構造体を捲回したスパイラル構造をとっている（第１図）。また、この電池の電解液には強アルカリの水酸化カリウム（KOH）などが用いられている。

■第1図　ニッケルカドミウム電池の構造■

（3）特　性

（a）充電特性

　ニッケルカドミウム電池は第２図に示すように、充電の進行に伴って電池電圧が上昇するが、電池の発熱によって平衡状態となる。また、電池温度の上昇は電池の周囲温度が低いほど顕著に現れる。また、電池の周囲温度が高くなるほど充電効率は低下する。
　なお、ニッケルカドミウム電池の公称起電力は1.2Vである。

■第2図　ニッケルカドミウム電池の充電特性■

（b）放電特性

　この電池は第3図に示すように放電当初の電圧低下が見られるが、その後、ほぼ一定の電圧を維持する。そして放電終期になると電圧が急激に低下する。また、放電電流が大きくなるほど電池容量が低下する特性がある。

■第3図　ニッケルカドミウム電池の放電特性■

（c）温度特性

　ニッケルカドミウム電池は第4図に示すように、電池の周囲温度が常温付近のとき電池容量が最も大きく、低温または高温のとき電池容量が減少する特性を示す。

■第4図　ニッケルカドミウム電池の温度特性■

（4）特　徴

　ニッケルカドミウム電池の特徴を列挙すると次のようになる。　
①　大電流放電・過充放電での耐久性が高い。　
②　密閉構造であるため、堅牢であり、振動や衝撃に強い。　
③　保守が容易で湿度による影響も受けない。　
④　放電効率は放電電流と周囲温度の影響を受ける。
　　　・放電電流大　→　電池容量減少
　　　・周囲温度低　→　電池容量減少

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　ニッケル水素電池はニッケルカドミウム電池に比べて単位質量当たりの電池容量が大きいという特徴がある。

（1）原　理

　ニッケル水素電池は負極に水素を含んだ水素吸蔵合金を用いた二次電池である。この電池の放電反応式を以下に示す（充電は右側から左側への反応）。

ただし、M：水素吸蔵合金、MH：吸蔵された水素

（2）構　造

　ニッケル水素電池はニッケルカドミウム電池と類似の構造をしており、正極にはニッケル酸化物を、負極には水素吸蔵合金をそれぞれごく薄くシート状にした電極が用いられる。正極と負極の間には、ポリプロピレンなどの薄い不織布がセパレータとして挟み込まれており、これらを捲回したスパイラル構造をとっている。また、電解液はイオン導電性に優れた水酸化カリウムなどが用いられる。