ニッケル鉄電池またはエジソン電池の動作と特性

どのバッテリーが、電気自動車用の高エネルギー密度バッテリーへの開発可能性が高く、日々人気が高まっているでしょうか？答えはニッケル鉄バッテリーまたはエジソンバッテリーです。一言で言えば、Ni-Feバッテリーは非常に頑丈なバッテリーです。このバッテリーは過充電、過放電、ショートサーキットなどに対する耐性が非常に高いです。長期間充電せずにいても、同様に良好な性能を発揮します。重量が重いため、重量が問題にならない用途、例えばソーラーエネルギーシステムや風力エネルギーシステムなどのバックアップとして使用されます。ニッケル鉄セルの耐久性と寿命は鉛蓄電池よりもはるかに高いですが、製造コストが高いため、ニッケル鉄バッテリーの人気は失われました。

ニッケル鉄（Ni-Fe）またはエジソンバッテリーの特定の特徴について見てみましょう。

このバッテリーは、その重量あたり30〜50 kWのエネルギー供給能力を持つことができます。充電効率は約65%です。つまり、充電中に投入された電気エネルギーの約65%が化学エネルギーとしてこのバッテリーに蓄えられます。放電効率は約85%です。つまり、バッテリーは蓄積されたエネルギーの約85%を負荷に対して電気エネルギーとして供給し、残りはバッテリーの自己放電により放出されます。バッテリーを使用しないで30日間放置した場合でも、自己放電により蓄積されたエネルギーの10%〜15%しか失われません。ニッケル鉄バッテリーの寿命は非常に長く、約30〜100年です。これは通常の鉛蓄電池の寿命である約10年よりもはるかに長いです。ニッケル鉄セルのノミナル電圧評価は1.4 Vです。

ニッケル鉄バッテリー

ニッケル鉄バッテリーに使用される基本的な構成要素は、カソードとしての水酸化ニッケル(III)、アノードとしての鉄、および電解質としての水酸化カリウムです。活性物質にはニッケル硫酸と硫化フェロを加えます。

エジソンバッテリーの構造

Ne-Feセルの容量は、正極板と負極板のサイズと数に依存します。このタイプのバッテリーセルの正極板と負極板の外観は同じです。両方のプレートはニッケルメッキ鉄で作られた長方形のグリッドで構成されています。各グリッド穴には浅くて細かい穴が開けられたニッケルメッキ鋼箱が詰められています。

両方のプレートが同じように見えるかもしれませんが、それぞれ異なる活性物質を含んでいます。正極板の穿孔ニッケルメッキ鋼箱にはニッケルの酸化物と粉砕炭素の混合物が含まれており、一部の負極板には鉄の酸化物と微細な炭素粉末が含まれています。両方のプレートにおいて、活性物質と混ざった微細な炭素粉末は電気伝導度を増加させるのに役立ちます。私たちは電解液として希釈苛性ポタッシュを使用します。

電解液と電極を含む容器を作るためにニッケルメッキ鉄が使用されます。エボナイト棒が異なる極性のプレート間に配置され、直接接触してショートサーキットを引き起こすことを防ぎます。エジソンバッテリーまたはニッケル鉄バッテリーの構造には別の特徴があり、それは負極板の数が正極板の数より1つ多く、最後の負極板が容器に電気的に接続されていることです。同じ極性のプレートは共通のストラップに溶接され、それらがセルを作り、いくつかのセルを組み合わせてバッテリーが構築されます。

ニッケル鉄バッテリーの動作

すでに知っているように、ニッケル鉄バッテリーの主な動作はバッテリー内で行われる電解反応です。電解とは、電流が流れると発生する化学反応であり、これが原因となり結果となることもあります。ニッケル鉄セルの化学は非常に複雑で、正極活性物質の正確な式はまだ確立されていませんが、Ni(OH)3であると仮定すれば、ある程度説明できます。充電中に、正極板のニッケル化合物はニッケルペルオキサイドに酸化されます。充電過程では、負極板の鉄化合物はスポンジ状の鉄に変化します。

完全充電状態では、正極板の活性物質は水酸化ニッケル[Ni(OH)3]であり、負極板のポケット内には鉄[Fe]があります。セルが負荷に電流を供給すると、正極板の活性物質はNi(OH)3からNi(OH)2に変わり、負極板の活性物質は鉄から水酸化フェロス(Fe(OH)2)に変わります。エジソンバッテリーでの電気化学的過程は以下の式で表現できます

この式は充電と放電の現象を表しています。式の右側の流れは放電現象の反応を表し、左側の流れは充電現象を表します。放電時に外部回路を通じて正極板へ電子が移動することで反応が起こります。電解中の腐食ガスがバッテリー内部で発生しても排出されるため、セルの取り付けに特別な注意は必要ありません。

ニッケル鉄バッテリーの特性

完全充電時のエジソンバッテリーの電動力は1.4 Vです。電圧の平均放電値は約1.2 Vで、平均充電電圧は約1.7 V/セルです。このタイプのバッテリーの特性は以下の図に示されています。

ニッケル鉄バッテリーの電圧特性は鉛蓄電池のものと似ています。完全充電時の電動力は1.4 Vで、徐々に1.3 Vに低下し、その後さらにゆっくりと1.1 Vまたは1.0 Vに低下します。グラフから、出力がゼロになる下限の放電電動力がないことがわかります。そのため、一定期間後にはバッテリーからの出力が停止します。バッテリーの電動力は温度に比例し、温度が上昇すると電動力も上昇します。
バッテリーの平均充電時間は7時間で、放電時間は5時間です。もう一つのエジソンバッテリーの特性は、高温での連続運転がバッテリーの寿命を短縮することです。また、バッテリーが平均充電時間を超えて充電されると、同じことが起こります。バッテリーのアンペア時間効率とワット時間効率はそれぞれ85%と60%です。4