ニッケル・水素充電池

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ニッケル・水素充電池
Eneloop AA ja.jpg
三洋電機製単3形NiMH電池
重量エネルギー密度 60 - 120 Wh/kg
体積エネルギー密度 140 - 300 Wh/l
出力荷重比 250 - 1000 W/kg
充電/放電効率 66%[1]
エネルギーコスト 2.75 W·h/US$[1]
自己放電率 30%[2] (2%[3])/(温度による)
サイクル
耐久性
500 - 1,000 c
電圧 1.2 V
リサイクルマーク(リサイクル法による)

ニッケル・水素充電池(ニッケルすいそじゅうでんち、Ni-MH: Nickel metal hydride)は、二次電池の一種で、正極に水酸化ニッケル負極水素吸蔵合金電解液に濃水酸化カリウム水溶液 (KOH (aq)) を用いたものである。充放電の反応式は以下のように表される。

  • 正極 : NiOOH + H2O + e \rightleftarrows\ Ni(OH)2 + OH
  • 負極 : MH + OH  \rightleftarrows\ M + H2O + e

識別色はオレンジ)。日本工業規格 (JIS) 上の名称は、密閉形ニッケル・水素蓄電池。

なお、一般に商用上用いられている名称の「ニッケル・水素充電池」は、「ニッケル・水素電池」あるいは「ニッケル・水素蓄電池」と同じ物を表す。「充電池」は商用に用いられる語であり、学術用語ではない。(→二次電池参照)

概要[編集]

富士フイルム製のニッケル水素充電池、武田コーポレーション製の充電器
充電器に装着したニッケル水素蓄電池(eneloop単3形)

元々は、高出力、高容量、長寿命の人工衛星のバッテリーとして開発が進められていた。当初はタンクに圧縮された水素を貯蔵していた[4]1990年の実用化以降、それまでの代表的な小型二次電池であったニッケル・カドミウム蓄電池(略してニカド電池またはニッカド電池)の2.5倍程度の電気容量を持つこと、材料にカドミウムを使用せず環境への影響が少ないこと、電圧がニカド電池と同じ1.2Vで互換性があることが追い風となり、代替が進んだ。正極材料にニッケル、負極材料に水素の貯蔵も兼ねて水素吸蔵合金であるミッシュメタルを使用している。宇宙用等、一部では水素の貯蔵にタンクを用いる種類もある。

だがその後、より大きな電気容量のリチウムイオン二次電池が登場し、各種の携帯機器で急速に置換えが進んだ。このため、ニッケル水素電池の日本における出荷数量は2000年をピークに大幅に減少し、日本の主要メーカーは次々に撤退した。主な日本のメーカーは現在、FDKFDKトワイセル、主に三洋電機モバイルエナジーカンパニーが販売)・パナソニックエナジー社)・プライムアースEVエナジー(車載用途)となっている。

その一方で、ニッケル・水素蓄電池は安全性の高さからトヨタ自動車本田技研工業ハイブリッドカーに採用された。ハイブリッドカー向けのニッケル水素電池は携帯機器よりはるかに大型であり、出荷金額は2003年を底に回復した。なおこの用途のニッケル水素電池メーカーは三洋電機(HEV事業部)のほかプライムアースEVエナジーである。

三洋電機がパナソニックの子会社となることにより世界各国の競争法当局との協議によりそれぞれの事業の一部を第三者に譲渡する必要が生じ、三洋電機は三洋エナジートワイセル・三洋エナジー鳥取をFDKに売却、パナソニックはパナソニックEVエナジーの保有株を減らした(→プライムアースEVエナジー)。

また、乾電池型二次電池においては、ニッケル水素電池が従来のニカド電池に代わり主流となっている。その理由として、ニッケル水素電池の「大電力・大電流時の放電特性に優れる」「単純な回路で充放電が可能」「安全性が確立されている」といった特徴の他、リチウムイオン電池が、特性および安全性の問題から乾電池型として不向きであり、普及に至っていないことが挙げられる。(→リチウムイオン二次電池の項も参照)

一般的には、ニッケル水素電池Ni-MHと表記されることが多い。

特徴[編集]

長所[編集]

  • 繰り返し使える
  • ニカド電池より容量密度が高い
  • カドミウムを含まないため、ニカド電池より環境負荷が低い
  • マンガン電池やアルカリ電池などの一次電池より、ランニングコストを下げられる

短所[編集]

  • 自然放電が多い。ただしeneloop登場以降は状況が変わり、自然放電の少ない物が増えている。
  • マンガン・アルカリ電池(1.5V)より電圧が低い(1.2Vしかない)ため、機械的に駆動する部品(モーターなど)を持つ機器(デジタルカメラCDプレーヤーなど)では電圧が不足し、正常に利用できない場合がある。
  • ニカド電池ほど顕著ではないが、メモリー効果(現象)がある。
  • ニカド電池に比べて過放電に弱い。完全に放電してしまうと電池を傷めてしまう。
  • リチウムイオン電池ほどではないが、破裂などの危険性が高い。ニカド電池専用充電器でニッケル水素電池を充電すると、破裂することがある。ニカド電池との充電器の共用は、ニカド・ニッケル水素両対応型の充電器でなければならない。
  • 完全に密閉された場所(水中ライト・防ガスライトなど)では使用不可能、または極端に性能が落ちる。ただしこの点については機器側・電池側ともに改善が進んでいる。

ニッケル水素電池概要[編集]

  • デジタルカメラ携帯音楽プレーヤー・ハイブリッドカー、一部のノートパソコン、あるいは一次電池の代替として広く普及している。
  • 世界シェアのトップは三洋電機(FDKトワイセル製)である(2010年現在)。SANYOブランドでの販売の他、FDKからのOEM供給も行っており、本体や缶底に“HR”記号が入っているものが同社製である(eneloop以降の製品では缶底の“HR”記号は無くなっている)。FDKは元々三洋電機のニッケル水素電池を供給されていたが、三洋エナジートワイセルのFDKへの売却で関係が逆転した。他に日本では輸入品などの一部で、粗悪品も出回っている。
  • 単三形で1000 - 2500mAh、単四形で750mAhが2006年現在の標準的な公称容量である。
  • 形状は単一形・単二形・単三形・単四形・角形 (006P) ・ガム型、その他に産業用特殊品がある。
  • 多くの製品で、およそ500回以上の充放電が可能とされている。容量の大きいものほど電極材の酸化や電解液の喪失によりサイクル寿命が短い。
  • 一部の製品では専用の充電器および対応するニッケル水素電池を使用すれば、15分で充電できる。
  • 電解液には触媒が加えられており、電気分解により生じた水素ガスを酸素ガスと素早く反応させ、に戻すための工夫が施されている。しかし過充電時には強く発熱し電気分解によって生じた水素ガスが吸収できずに内圧が高まる。陽極に防爆弁があり、圧力が過剰になると水素ガスを放出する。
  • 陽極に直接ハンダ付けすると防爆弁が不良になるので、そのハンダ付け用途の製品にはハンダ付け用のニッケル金属片がスポット溶接されている。
  • 破裂や電解液の漏出がおきても電解液は不燃の水溶性であるため火災につながるリスクは非常に小さいが、強アルカリ性であるため皮膚など触れると火傷(化学熱傷)を引き起すことに注意が必要である。また木材や樹脂などは変質することがある。
  • 充電式小型電動ドリルのような大電流を要する用途など、ニカド電池の方が強みを持つ分野もある。ただし先述のカドミウム使用の問題から、公害の原因となりうる上にライフサイクルコストが高いという理由でと、ニッケル水素電池の大電力特性が改善したので現在発売している製品の殆どはニッケル水素電池へ転換している。
  • 同様に、ホビー用R/Cカーでも長年、大電流を発生させるニッカド電池がレースで有利ということで主流だったが、近年のR/Cカーレースではレギュレーションでニッケル水素電池を指定するケースも多い。
  • 2003年8月21日トミー・三洋電機は、誤使用時の発熱を約60°Cに抑え、液漏れの問題を回避するという玩具用に特化したニッケル水素電池「Every Denchi(エヴリデンチ)」を発表、同年11月から発売している。また2005年7月には三洋電機が後継シリーズとしてニッケル水素電池「Toy Cell(トイセル)」を発表・発売している。
  • 2005年11月1日に、三洋電機は自己放電とメモリ効果を抑え、予め充電した状態で販売するという新型のニッケル水素電池「eneloop(エネループ)」の発売を発表し、同年11月14日から販売を開始した。また、松下電器産業(現・パナソニック)も株式会社ジーエス・ユアサコーポレーションと共同開発し、同年10月31日、同様の電池の発売をアナウンスした(パナソニック充電式ニッケル水素電池充電式EVOLTA)。2006年11月にはソニーがこれらと同様の電池(エネループ技術)を「サイクルエナジーブルー」のブランドで発売開始した(エネループOEM)。2006年現在、これらの電池は一般小売店での取り扱いも多くなりつつある。

ニッケル水素電池の充電[編集]

  • ニッケル水素電池の充電方法はニカド電池と同一ではない。
  • 充電開始時の偽-ΔVは5分から10分程度予測される。
  • -ΔVが観測された場合には、急速充電からトリクル充電(細流充電)に移行させる。
  • -ΔVが観測されなくても10時間程度で充電を強制終了する。これはトリクル充電の場合も同様である。
  • 電池の温度が約50℃以上になった場合には充電を強制終了する。
  • -ΔVはおよそ10mV/セル程度である。

主な用途[編集]

ホビー・玩具[編集]

ラジコンの耐久レース、電動ガンを使った競技などでは、ニカド電池に比べて大容量なため、電池交換の頻度を減らせる。一方、大容量化により重量面ではニカド電池よりも重くなることがある。

特性上ニカド電池より瞬発力に劣る部分があるが、公称値でニカド電池の1.5倍以上の容量[5]を利用した強力なパワーソースの使用や、近年の中国メーカーによる技術競争などにより、模型分野では実用上問題なくなっている。

電動ガンにおいては過放電に強く自己放電が少ないなど扱いが手軽なニカド電池も利用されるが、一般的なラジコンカーのレースにおいてはニッケル水素電池が主流になっている。ただし一部の模型メーカーが主催するラジコンカーレースでは、環境保全の考え方からニカド電池の使用を禁止している場合も見られる[要出典]

模型分野に限っては一般にトップシェアである三洋電機(FDKトワイセル製)のシェアは非常に少なく、インテレクト社やゴールドピーク製のセルが多く使用されている。当初三洋電機製を採用していた業界最大手のタミヤでも、は2011年現在採用しているのはゴールドピーク製である[6]

ミニ四駆ダンガンレーサー/楽しいトレインシリーズ楽しい工作シリーズをはじめとするいくつかのタミヤ製電動模型キットシリーズでは、発熱の問題を回避するという名目で、公式レースではニッケル水素電池の使用が禁止されていた[7][8]。また、近年製造されたキットのパッケージには新型車・旧型車問わずニッケル水素を絶対に使うなと明記されている[9]。しかし、ミニ四駆については、公認競技会規則の改定(電池が原則タミヤブランドのみに)と2010年12月の新商品「ネオチャンプ」発売[10]により同商品に限ってではあるがニッケル水素の使用が解禁された。ニッケル水素電池が使用可能になった経緯について、現在のところタミヤから明確な説明はない。

デジタルカメラ[編集]

単3型電池を用いるデジタルカメラの場合、一次電池も用いることが出来るが、ニッケル・水素蓄電池の方が放電特性に優れ、また繰り返し充電できるため経済的である。ニッケル・水素蓄電池と充電器を付属している機種もある。

ハイブリッドカー[編集]

ハイブリッドカー用の二次電池としては主としてニッケル水素電池が使用される。

タンク貯蔵型ニッケル水素電池[編集]

Nickel-hydrogen battery NASA.gif

ニッケル水素電池 (NiH2 or Ni-H2) はニッケルと水素を基にした充電式の電気化学式の電力源である[11]。ニッケル金属水素化物電池との違いは水素を8.27 MPa (1200psi) の高圧タンクに貯蔵する点である[12]

正極は乾式焼結によって製造されるニッケル水素化物を含む多孔質ニッケルである[13]。負極の水素電極はテフロン結合の白金黒触媒が用いられ、セパレーターにはZircar tricot knit zirconia布であるlink titleZYK-15title.が用いられる[14]

NiH2セルは26%の水酸化カリウム (KOH) が電解質として用いられ寿命は80%の放電深度 (DOD) で15年を見込む[15]エネルギー密度は75Wh/kg・60 Wh/dm3[16]比出力 220 W/kg[17]、開放電圧は1.55V・放電電圧は1.25Vで[18]負荷時の電圧は1.5 V以下である。セルは20,000回以上の充電サイクルで[19]85%の効率である。

NiH2充電池はエネルギー貯蔵装置として人工衛星や[20]宇宙探査機に使用される。例として国際宇宙ステーション[21]、2001年のマーズオデッセイ[22]やマーズグローバルサーベイヤー[23]に搭載された。ハッブル宇宙望遠鏡は打ち上げ後19年以上経つ2009年5月に元の蓄電池を交換した。低軌道で最も多くの充放電サイクルを経たNiH2電池を交換した[24]

歴史[編集]

ニッケル水素電池の開発は1970年代のコムサットから始まり[25]、最初の使用は1977年、アメリカ海軍の航法衛星 (NTS-2) である[26]

種類[編集]

個別圧力容器型[編集]

個別圧力容器型 (IPV) は圧力容器がNiH2セルの最小単位として構成される[27]

共通圧力容器型[編集]

共通圧力容器型 (CPV) は2個のNiH2セルのスタックを直列に共通圧力容器に入れる。CPVはIPVよりもエネルギー貯蔵効率がやや高い。

単一圧力容器型[編集]

単一圧力容器型 (SPV) は22セルを単一の圧力容器へ入れている。

両極型[編集]

両極型はSPV内で薄い電極が正極から負極背中合わせに配置されている[28]

圧力容器依存型[編集]

圧力容器依存型 (DPV) セルはより高いエネルギー比とコスト削減をも目的としている[29]

共通/依存型圧力容器[編集]

共通/依存型圧力容器 (C/DPV) は共通圧力容器 (CPV) と圧力容器依存型 (DPV) の組み合わせで高い体積効率である[30]

主な製品[編集]

脚注[編集]

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  1. ^ a b NiMH Battery Charging Basics”. 2012-02-12T11:43Z閲覧。
  2. ^ What's the Best Battery?”. Battery University (2006年11月). 2011年9月10日閲覧。
  3. ^ SANYO Announces the Launch of XX (DoubleX)”. Sanyo (2010年9月20日). 2011年9月10日閲覧。
  4. ^ 衛星用バッテリー
  5. ^ 模型用で多く使われるsub-C型セルの場合、市販されているニッカドでは2400mAhが最大だが、ニッケル水素型では少ないものでも3000mAh、主に流通しているものでは3600 - 4200mAh、最近の大容量製品では4600mAhを上回る物も在る[1]
  6. ^ 製品写真にGPの社名が確認できる[2]
  7. ^ ミニ四駆公認競技会規則
  8. ^ ダンガンレーサー公認競技会規則
  9. ^ 乾電池についてのご注意 ニッケル水素電池は使用できません。
  10. ^ ネオチャンプと急速充電器セット
  11. ^ A simplified physics-based model for nickel hydrogen battery (PDF)
  12. ^ Nickel-Hydrogen spacecraft battery handling and storage practice
  13. ^ Performance comparison between NiH2 dry sinter and slurry electrode cells (PDF)
  14. ^ Nickel-Hydrogen Batteries
  15. ^ Potassium hydroxide electrolyte for long-term Nickel-Hydrogen geosynchronous missions (PDF)
  16. ^ Spacecraft Power Systems Pag.8 (PDF)
  17. ^ NASA/CR—2001-210563/PART2 -Pag.10 (PDF)
  18. ^ Optimization of spacecraft electrical power subsystems -Pag.40 (PDF)
  19. ^ Five-year update: nickel hydrogen industry survey
  20. ^ Ni-H2 Cell Characterization for INTELSAT Programs (PDF)
  21. ^ Validation of International Space Station electrical performance model viaon-orbit telemetry
  22. ^ A lightweight high reliability single battery power system for interplanetary spacecraft
  23. ^ Mars Global Surveyor
  24. ^ NiH2 reliability impact upon Hubble Space Telescope battery replacement
  25. ^ Nickel-Hydrogen Battery Technology—Development and Status (PDF)
  26. ^ NTS-2 Nickel-Hydrogen Battery Performance 31
  27. ^ Nickel Hydrogen Batteries-An Overview
  28. ^ Development of a large scale bipolar NiH2 battery.
  29. ^ 1995- Dependent Pressure Vessel (DPV)
  30. ^ Common/Dependent-Pressure-Vessel Nickel-Hydrogen Batteries

外部リンク[編集]