鉛バッテリーについて バッテリーの仕組みと劣化要因

鉛バッテリーは、1部屋(セル)2Vのものしか作れません。

自動車用鉛電池は1部屋2Vのセルを6個直列に並べて12Vの電圧を得ています。マンガン乾電池は直列接続すると1セルあたり1.5Vを発生するので9V。ニッカド電池は1セルあたり1.2Vを発生するので7.2Vの電圧が得られます。リチウムイオンバッテリーなら1個で4Vです。1セルあたりの電圧が電池の種類ごとに違うは、電池の構成素材・材料で決まるからです。鉛蓄電池は1セルでおよそ2Vの起電力がある電池です。セルの大きさは関係ありません。つまり、バイク用の小型のものでも、電池フォークリフトの大きなバッテリーも、全ての鉛電池は1セルあたり2Vです。

鉛蓄電池のセルは、プラス極板(少し赤茶っぽい色をしています)、極板同士がショートしないようにする絶縁物(セパレーター)、マイナス極板で基本単位が構成されます。容量を増やすためにこれを幾重にも重ねます。プラス極板は並列接続されています。マイナス極板も同様に並列接続されています。陽極は陽極、陰極は陰極でまとめて外部の端子に繋がっています。(自動車用の場合は、液の注入口を開けて斜めから覗くと一つの極が次の部屋に接続されているのが観察されます。)これらの極板は、電解液に浸されています。電解液は希硫酸です。ドライバッテリーに補充する場合は、比重1.27(18℃時)のものを使います。希硫酸の硫酸濃度は、満充電時30%濃度に非常に近い値です。硫酸が濃いですから本来は危険物取り扱いの資格が必要です。

何故極板の枚数を重ねる必要があるのでしょうか。電圧は、極板の面積をどんなに広くしたとしても2Vしか得られません。逆に10円玉程度の面積でも2V得られます。電池は化学反応を利用して起電(発電)します。鉛バッテリーは一時的に大量の電力を取り出せます。一般に6Cと言われており、400Ahのバッテリーであれば 400A×6=2400Aと非常に大きな電流を一時的とはいえ流すことができます。これは鉛電池の特徴で、内部抵抗が低いとも言えます。他の種類の電池ではこれが難しいのです。又、面積を大きくすれば長い時間化学反応を行うことができます。このことを容量と表現します。容量は、エネルギー量と言い換えることもできます。

バッテリー容量の単位はAhです。「アンペアアワー」と読みます。電流と時間の積です。ある電池が電流A(アンペア)を何時間(h)流すことができるかという値です。これは1個の電池を流れる電流で表現しますから(単位V:電圧が含まれていない)何個直列に接続しても数値は変わりません。

ということは、並列に接続すると容量は増えるということです。ところが、このような使い方はメーカーサイドは考えていません。化学反応の為、個々の性能がばらつき、計算通りの容量とならないばかりか、充電が平均せず寿命が著しく短くなります。おおまかには寿命が半分くらいになると考えてください。アミーズメントの機器に稀にこの様な使用法をしている物を見かけますが、これらは設計者がここで記載している内容を知らないからであり、決して正しい使い方とはいえません。従って電池寿命は短いでしょう。又この様に並列接続したバッテリーにはラスロンGは使用できません。スロンGの効果が本物であるため、どちらか一方のみが復元してしまい、結果として容量の回復が期待できません。

(参考)鉛蓄電池の劣化の内容

実際に故障したものの原因分類の比率は、サルフェーションによる劣化が90%。陽極の故障が5%です。陰極の故障が3%で、電極間のショートが2%となっています。

極板の剥離、脱落が起こるのには理由があります。通常のバッテリーは鉛の格子に酸化鉛、鉛の粉末を練って、それを格子に詰めて極板を作っています。このようにしないと酸化鉛・鉛の粉末を練ったものは粘性が低くバラパラになってしまうからです。この詰め込み方が弱いと鉛の枠と酸化鉛・鉛の間に亀裂が入り、電気的に接続が不確かとなり内部抵抗の上昇をもたらすので、大電流を流せなくなります。
極板の部分的脱落は、鉛バッテリーで比較的多く発生しています。硫酸による腐食、極板を支持している鉛部の弾性疲労による折損などが原因かと思われます。また、十数年も使用していると、極板を保持している鉛自体が割れてしまうようです。路面の悪い所での長期使用は、その振動によって極板が割れやすくなるようです。(可能なら路面を平坦にすれば、バッテリーの寿命を長くする効果があります。)

一般のテスターで判断できるのは電極間のショート2%だけです。厳密には温度補正をかけることにより可能ですが誤差が多く実用的でありません。物理的故障は合計10%にすぎません。(既に発生している物理的故障に対してラスロンGはほとんど無力です)

残りの90%はサルフェーションによる劣化が原因であると考えてよいと思います。バッテリーは12Vのものであれば、10.2Vを切れば著しくサルフェーションPbSO4が成長します。満充電でないときにも徐々に結晶性サルフェーションPbSO4が極板に生成されます。通常のサルフェーションは単に充電を行えば還元(溶解)します。これは、放電すると比重が低下し、充電すれば比重が上昇することでわかります。比重は電解液中の硫酸の量を表していると考えてください。硫酸分が鉛と反応した結果、サルフェーションPbSO4という白い固体が生じます。電解液中の硫酸が固体になるわけですから、電解液中の硫酸分は薄くなるので比重が下がります。

これだけであれば何も問題は無いのですが、放電状態での積算時間が重なるかこ、或いは10V以下まで過放電させてしまうと通常のサルフェーションPbSO4が結晶化し、通常充電では溶けない状態になってきます。結晶性サルフェーションと呼んでいます。新品のバッテリーでも過放電すると使えなくなるのも同じ原理です。この結晶性サルフェーションが増加すると充電しても比重が1.28まで復帰しなくなります。これが通常バッテリーの寿命の90%をしめる劣化原因です。

サルフェーションPbSO4は放電時に生じる不活性物質です。もっとも、不活性でなければバッテリーは無期限に起電するということになるわけです・・・。そんなことは有りません。
その不活性物質が両極板を覆うわけですから、極板の有効面積が減少します。有効面積が減少するにしたがって容量Ahが低下していきます。同時に対向面積が減少し内部抵抗が増加します。これが寿命、劣化と言われている現象です。

寿命が来たバッテリーでも充電し電圧を測ると既定値を示しますが、少し使うとすぐ電圧が低下するような状態になります。10円玉くらいの極板面積になると、豆電球がポッと点灯し、まもなく消えるという程度でしょうか。極板が小さければ反応できる(サルフェーションを付着させる)面積が少ないから、発生するエネルギー全体量が少ないのだと理解してください。

電流がバッテリーの外へ流れるということは、両極板にサルフェーションを作る化学反応の反面的作用ということです。放電すると必ずサルフェーションができます。これが徐々に極板に付着・蓄積されていき、有効表面積が減少していくのです。「サルフェーションができない添加剤」「極板をコーティング・保護する添加剤」などと謳う商品には要注意です。あまり信用してはいけない表現だと思います。

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