蓄電池の種類と特徴

今や蓄電池は自動車のバッテリーだけでなく、ノートパソコンや携帯電話といったモバイル機器の電源や電気自動車など、様々な用途・分野において利用されており、現代の生活に無くてはならないものとなっています。

一口に蓄電池と言っても、電池の正極・負極に用いる素材によって大きく4種類に分類することが出来ます。

素材によって、電圧やエネルギー密度といった性質が異なってくる他、保守作業の必要性の有無や安全性の問題、環境への影響といったリスクの大小も異なってくるため、設置環境や用途を踏まえ、適切な製品を選ぶことが重要となってきます。

現在主流の蓄電池の種類

種類別蓄電池「鉛蓄電池」

鉛蓄電池

鉛蓄電池とは、正極に二酸化鉛(PbO2)、負極に鉛(Pb)、電解液に希硫酸(H2SO2)を用いた二次電池のこと。二次電池の中でも最も古い歴史を持ち、開発から現在まで様々な用途で利用されています。

その用途は幅広く、自動車のバッテリーとして利用されているのを始め、非常用電源やバッテリー駆動のフォークリフト・ゴルフカートといった電動車用主電源としても用いられており、安価で使用実績が多く、信頼性に優れているという特長があります。

一方で、繰り返し充電することによって負極の金属に硫酸鉛の硬い結晶が発生しやすくなり、サイクル回数の増加に伴い性能が低下してしまうという欠点がありますが、放電しきる前に充電を行う等適切に利用することで、ある程度寿命を延ばすことが可能です。

鉛蓄電池は、極板の種類や構造によって更に細かく分類することが出来ます。

極板の種類による区分

クラッド式

ガラス繊維をチューブ状に編み上げて焼き固めたものの中に極板活物質を充填したもので構成され、長期の使用中でも有害な不純物を溶出する恐れがなく、長寿命が期待できます。

衝撃や振動にかなり強いため、バッテリーフォークリフトの他、通信用・機器操作用・バックアップ電源として利用されています。

ペースト式

格子体と呼ばれる極板の骨組みにペースト状にした活物質を塗り込んで極板にしたもので、クラッド式ほどの寿命は期待できませんが、高率放電用途に適しています。

自動車用バッテリーとして有名ですが、無停電電源装置や非常用電源としても利用されています。

構造上の区分

ベント形鉛蓄電池

液式電池とも呼ばれ、鉛蓄電池発明当時から存在していた構造のもの。

充電中に起こる水の電気分解反応や自然蒸発によって電解液中の水分が失われるため、適宜精製水を補給する必要があります。

制御弁式鉛蓄電池

1980年代半ばより登場したもので、セパレータ(隔離板)に微細ガラスマットを用い、電解液をそのガラスマットに保持する方式をとった構造のもの。ベント形鉛蓄電池の横倒しに出来ないという欠点をクリアし、横置きしても電解液がこぼれない仕組みとなっています。

充電中に発生する水素ガスや酸素ガスを化学反応によって元の水に還元して電解液中に戻しているため、精製水の補充が不要となっているため、維持運用が容易になっています。

種類別蓄電池「ニッケル水素電池」

ニッケル水素電池

ニッケル水素電池とは、正極にオキシ水酸化ニッケル(NiOOH)、負極に水素吸蔵合金、電解液に水酸化カリウムのアルカリ水溶液を用いた二次電池のこと。

本来は、高出力・高容量・長寿命の人工衛星用バッテリーとして開発が進められていたニッケル水素電池ですが、当時主流であったニカド電池が及ぼす環境への影響が問題視されるようになり、やがてニカド電池に変わる主流の乾電池型二次電池として普及することとなりました。

エネルギー密度が高く、過充電・過放電に強いという特長から、主にエネループをはじめとする乾電池二次電池やハイブリッドカーの動力源として用いられています。

近年では、急速充放電が出来るという強みを活かし、鉄道システムやモノレールシステムの地上蓄電設備(BPS)としても多く採用されており、平常時のピークカットや停電時の非常走行などの運用方法が可能となっています。

種類別蓄電池「リチウムイオン電池」

リチウムイオン電池

リチウム電池とは、正極にリチウム含有金属酸化物、負極にグラファイトなどの炭素材、電解液に有機電解液を用いた二次電池のこと。

ニッケル水素電池と比較すると、エネルギー密度と充放電エネルギー効率が非常に高く、また残存容量や充電状態が監視し易いといった特長があり、現在の蓄電池の中でも最も活発に普及や技術開発の取り組みが推進されていると言えるでしょう

現代に欠かせないものとなった携帯電話やノートパソコンを始めとする幅広い電子・電気機器に搭載されており、技術開発が進んだ近年においては、電気自動車などの交通機関の動力源やスマートグリッドのための蓄電装置としても研究開発が推進されています。

住宅や小規模店舗、オフィスに導入される蓄電池の多くはこのリチウムイオン蓄電池であり、現在のところリチウムイオン蓄電池を導入する方を対象とした補助金事業が設けられています。

種類別蓄電池「NAS電池」

NAS電池
参照:日本ガイシ株式会社

NAS電池とは、正極に正極に硫黄、負極にナトリウム、電解質にβ-アルミナを用いた二次電池のこと。

リチウムイオン電池とも遜色ないエネルギー密度を保ちつつ、鉛蓄電池よりも低価格・長寿命を誇るNAS電池。その特長から、主に大規模電力貯蔵施設や負荷平準化、工場といった施設のバックアップ用電源として用いられています。

非常に効率よく充放電を行えるNAS電池ですが、ナトリウムと硫黄を使用するために危険物として取り扱われるため、日々の動作確認や保守作業などは必要不可欠でしょう。

今後、再生可能エネルギーを本格的に推進していくにあたって、NAS電池やレドックスフローといった大容量向き蓄電池は重要な要素となることが予想されています。

種類 特徴 用途
鉛電池 正極に二酸化鉛、負極に鉛、電解液に希硫酸を用いた電池。低コストで安全性・信頼性に優れている。
  • 自動車のバッテリー
  • フォークリフト等電動車の主電源
  • バックアップ電源
ニッケル
水素電池
正極にオキシ水酸化ニッケル、負極に水素吸蔵合金、電解液にアルカリ水溶液を用いた電池。常温で作動し、急速充放電が可能。
  • 充電式電池
  • ハイブリッドカー
  • 鉄道システム用の地上蓄電設備
リチウム
イオン電池
正極に正極に硫黄、負極にナトリウム、電解質にβ-アルミナを用いた電池。充放電ロスがなく、高出力。
  • モバイル機器のバッテ  リー
  • 電気自動車への搭載
  • 電力貯蔵などの用途
NAS電池 正極に硫黄、負極にナトリウム、電解液に参加アルミを用いた電池。約300度の運転温度が必要だが、長寿命・高密度・低価格。
  • 大規模電力貯蔵
  • 負荷平準化・系統安定 化
  • バックアップ電源
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