VRLAバッテリー

制御弁式鉛蓄電池 （VRLA）は、一般に密閉型鉛蓄電池（SLA）とも呼ばれ、^[1]限られた量の電解質（「飢餓」電解質）がプレートセパレーターに吸収されるかゲル状に形成されること、セル内で酸素の再結合が促進されるように負極プレートと正極プレートが配分されていること、およびセルの位置に関係なくバッテリーの内容物を保持する安全弁が存在することを特徴とする鉛蓄電池の一種です。^[2]

VRLAバッテリーには、吸収ガラスマット（AGM）とゲルセル（ゲルバッテリー）の2つの主要なタイプがあります。^[3]ゲルセルは、電解質にシリカ粉末を追加して、厚いパテのようなゲルを形成します。AGM（吸収ガラスマット）バッテリーは、電解質を封じ込めてプレートを分離する役割を果たすバッテリープレートの間にグラスファイバーメッシュを備えています。両方のタイプのVRLAバッテリーは、液式ベント鉛蓄電池（VLA）またはお互いと比較して、長所と短所があります。^[4]

ゲルセルおよび AGM タイプの VRLA は、その構造上、どの方向にも取り付けることができ、定期的なメンテナンスを必要としません。「メンテナンスフリー」という用語は誤った呼び方です。VRLA バッテリーは、依然としてクリーニングと定期的な機能テストが必要です。これらのバッテリーは、リチウムイオンなどの他のメンテナンスの少ない技術よりも低コストで大量のストレージを必要とする、大型ポータブル電気機器、オフグリッド電力システムなどで広く使用されています。

最初の鉛酸ゲル電池は、1934 年にエレクトロテクニック ファブリク ゾンネベルクによって発明されました。^[5]現代のゲル電池または VRLA 電池は、1957 年にゾンネンシャインのオットー ヤッヘによって発明されました。 ^{[6] [7]}

最初のAGMセルはサイクロンであり、1972年にゲイツラバーコーポレーションによって特許を取得し、現在はエナーシスによって製造されています。^[8]

Cyclon は、薄い鉛箔電極を備えた螺旋巻きセルでした。多くのメーカーがこの技術を採用し、従来の平板セルに実装しました。1980 年代半ば、英国の 2 社、Chloride Groupと Tungstone Products が、新しいデジタル交換をサポートするバックアップ バッテリーの British Telecom 仕様に刺激されて、最大 400 Ah の容量を持つ「10 年寿命」の AGM バッテリーを同時に導入しました。

同じ時期に、ゲイツは航空機および軍用バッテリーを専門とする別の英国企業、ヴァーレイを買収した。ヴァーレイはサイクロン鉛箔技術を応用して、非常に高い出力率を持つ平板バッテリーを生産した。これらは、当時の標準であったニッケルカドミウム（Ni-Cd）バッテリーの最初の代替品として、 BAE 125および146ビジネスジェット、ハリアージャンプジェットとその派生型であるAV-8B、およびいくつかのF16派生型を含むさまざまな航空機に承認された。^[6]

鉛蓄電池は、希硫酸の電解質に浮遊する電極として機能する2枚の鉛板で構成されています。VRLAセルは、電解質が固定されている点を除いて、同じ化学的性質を持っています。AGMでは、これはグラスファイバーマットで実現されます。ゲルバッテリーまたは「ゲルセル」では、電解質はシリカやその他のゲル化剤を電解質に加えて作成されたゲルのようなペースト状です。^[9]

セルが放電すると、鉛と希酸が化学反応を起こし、硫酸鉛と水が生成されます。その後セルが充電されると、硫酸鉛と水は鉛と酸に戻ります。すべての鉛蓄電池設計において、充電電流は、電池のエネルギー吸収能力に合わせて調整する必要があります。充電電流が大きすぎると、電気分解が起こり、硫酸鉛と水が二酸化鉛、鉛、硫酸に意図通りに変換されるのに加えて、水が水素と酸素に分解されます (放電プロセスの逆)。従来の液浸セルのようにこれらのガスが漏れると、電池に水 (または電解質) を時々追加する必要があります。これとは対照的に、VRLA 電池は、圧力が安全なレベルに保たれている限り、発生したガスを電池内に保持します。通常の動作条件では、ガスは電池自体の中で再結合し、場合によっては触媒の助けを借りて、追加の電解質は必要ありません。^{[10] [11]}しかし、圧力が安全限度を超えると、安全弁が開いて余分なガスを逃がし、その際に圧力を安全なレベルに戻すように調整します（したがって、「VRLA」の「調整弁」と呼ばれます）。^[12]

VRLAバッテリーの各セルには圧力逃し弁が付いており、バッテリーが水素ガスの圧力を上昇し始めると作動します。これは通常、再充電の結果として起こります。^[12]

セルカバーには通常、ガス拡散器が組み込まれており、過充電時に生成される可能性のある余分な水素を安全に拡散させることができます。これらは永久的に密閉されているわけではありませんが、メンテナンスフリーに設計されています。通常の鉛蓄電池は酸の漏れを防ぎ、プレートの向きを垂直に保つために垂直に保つ必要がありますが、セルカバーは任意の向きに配置できます。セルはプレートを水平（パンケーキスタイル）にして動作させることができ、サイクル寿命が向上する可能性があります。^[13]

AGM バッテリーは、電解液がプレートに自由に浸透するのではなく、ガラス マットに保持される点で、液式鉛蓄電池とは異なります。極細のガラス繊維がマットに織り込まれ、セルの寿命にわたって十分な量の電解液を保持できる表面積が確保されます。微細なガラス マットを構成する繊維は、酸性の電解液を吸収せず、影響を受けません。これらのマットは、製造の最終段階の直前に酸に浸した後、2 ～ 5% 絞り出されます。

AGM バッテリーのプレートは、どのような形状でも構いません。平らなものもあれば、曲げたり巻いたりしたものもあります。ディープ サイクル型と始動型の両方の AGM バッテリーは、Battery Council International (BCI) のバッテリー コード仕様に従って長方形のケースに組み込まれています。

AGMバッテリーは、広い温度範囲において従来のバッテリーよりも自己放電に対する耐性が優れています。^[14]

鉛蓄電池と同様に、AGM電池の寿命を最大限に延ばすためには、メーカーの充電仕様に従うことが重要です。電圧調整充電器の使用が推奨されます。^[15]放電深度（DOD）と電池のサイクル寿命には直接的な相関関係があり、 ^[16] DODに応じて500サイクルから1300サイクルの差があります。

もともとゲル電池の一種は、1930年代初頭に硫酸にシリカを加えることで、携帯用真空管ラジオのLT電源（2、4、または6V）用に製造されました。^[17]この頃までにガラスケースはセルロイドに置き換えられ、1930年代後半には他のプラスチックに置き換えられました。ガラス瓶に入った初期の「ウェット」セルは、1927年から1931年または1932年にかけて、垂直から水平方向に傾けることを可能にする特別なバルブを使用していました。^[18]ゲルセルは、携帯用セットが乱暴に扱われても 漏れにくいものでした。

現代のゲル電池は、ゲル化した 電解質を備えた VRLA 電池です。硫酸はフュームドシリカと混合され、結果として生じる塊はゲル状になり、動かなくなります。液式湿式鉛蓄電池とは異なり、これらの電池は垂直に保つ必要がありません。ゲル電池は、湿式電池によくある電解質の蒸発、流出 (およびそれに伴う腐食の問題) を減らし、衝撃や振動に対する耐性が優れています。化学的には、鉛板のアンチモンがカルシウムに置き換えられ、ガス再結合が起こる可能性がある ことを除けば、湿式 (非密閉) 電池とほぼ同じです。

市販されている多くの最新のオートバイや全地形対応車(ATV) は、コーナリング中、振動中、または事故後の酸漏れの可能性を減らすため、またパッケージング上の理由から、AGM バッテリーを使用しています。より軽量で小型のバッテリーは、オートバイの設計上必要な場合は、奇妙な角度で取り付けることができます。液式鉛蓄電池に比べて製造コストが高いため、AGM バッテリーは現在高級車で使用されています。車両が重くなり、ナビゲーションや安定制御などの電子機器がより多く装備されるようになると、AGM バッテリーは車両重量を軽減し、液式鉛蓄電池に比べて優れた電気的信頼性を提供するために採用されています。

2007 年 3 月以降のBMW 5 シリーズには、回生ブレーキとコンピュータ制御を使用してブレーキ エネルギーを回収するデバイスと組み合わせて AGM バッテリーが組み込まれており、車が減速しているときにオルタネーターがバッテリーを充電するようにします。自動車レースで使用される車両では、耐振動性のため AGM バッテリーが使用される場合があります。AGM バッテリーは、交換が難しいボディ パネルを損傷する可能性のある電解液の漏れが非常に少ないため、クラシック カーでもよく使用されます。

ディープサイクル AGM は、オフグリッド 太陽光発電や風力発電設備のエネルギー貯蔵バンクとして、またFIRSTやIGVC競技会などの大規模なアマチュアロボット工学でもよく使用されます。

AGM バッテリーは、北極の氷監視ステーションなどのリモート センサーによく使用されます。AGM バッテリーは自由電解質がないため、このような寒冷環境でも割れたり液漏れしたりしません。

VRLA バッテリーは、ガスと酸の排出量が非常に少ないため屋内での使用に非常に安全であり、電動車椅子やモビリティ スクーターで広く使用されています。また、VRLA バッテリーは、停電時のバックアップとして 無停電電源装置(UPS) でも使用されています。

VRLAバッテリーは、さまざまな飛行姿勢や比較的広い周囲温度範囲に耐えることができ、悪影響も受けないため、グライダーの標準的な電源でもあります。ただし、充電方法は温度の変化に合わせて調整する必要があります。^[19]

VRLA電池は、その高出力密度、ガス放出の排除、メンテナンスの低減、安全性の向上により、米国の原子力潜水艦艦隊で使用されている。^[20]

AGM およびゲルセル バッテリーは、海洋レクリエーション用途にも使用されていますが、AGM の方が一般的に入手可能です。AGM ディープサイクル マリン バッテリーは、多くのサプライヤーから提供されています。通常、メンテナンスの手間がかからず、漏れ防止の品質が優れているため好まれますが、従来の液浸セルに比べてコスト効率が低いソリューションであると一般的に考えられています。

通信アプリケーションでは、Telcordia Technologiesの要件文書 GR-4228「安全性と性能の要件に基づく制御弁式鉛蓄電池 (VRLA) バッテリー ストリング認証レベル」の基準に準拠するVRLA バッテリーは、制御環境庫 (CEV)、電子機器筐体 (EEE)、小屋などの場所の屋外プラント (OSP)、およびキャビネットなどの制御されていない構造物に配置することが推奨されています。通信における VRLA と比較して、VRLA 抵抗測定型装置 (OMTE) および OMTE のような測定装置の使用は、通信バッテリー プラントを評価するためのかなり新しいプロセスです。^[21]抵抗テスト装置を適切に使用することで、コストと時間のかかる放電テストを実行するためにバッテリーをサービスから取り外すことなく、バッテリー テストを実行できます。

VRLAゲルおよびAGMバッテリーは、VRLA液式鉛蓄電池や従来の鉛蓄電池と比較して、いくつかの利点がある。バルブは過圧故障時にのみ作動するため、バッテリーはどの位置にも取り付けることができる。バッテリーシステムは組み換え可能で、過充電時にガス放出がないように設計されているため、室内の換気の必要性が減り、通常動作中に酸性煙は放出されない。液式セルのガス放出は、ごく狭い密閉空間を除いてほとんど影響がなく、家庭ユーザーにとってほとんど脅威にならないため、長寿命設計のウェットセルバッテリーはkWhあたりのコストが低くなる。ゲルバッテリーでは、ケースの損傷や通気によって放出される可能性のある自由電解液の量は非常に少ない。電解液のレベルを確認したり、電気分解によって失われた水を補充したりする必要がないため（またはできないため）、検査とメンテナンスの必要性が軽減される。^[22]ウェットセルバッテリーは、自動給水システムまたは3か月ごとの補充によってメンテナンスできる。蒸留水を追加する必要があるのは、通常、過充電が原因である。適切に規制されたシステムでは、3 か月に 1 回以上の補充は必要ないはずです。

すべての鉛蓄電池 (LA) に共通する欠点は、バルク充電、吸収充電、(メンテナンス) フロート充電の3 段階の充電プロセスから生じる比較的長い再充電サイクル時間が必要になることです。すべての鉛蓄電池は、種類に関係なく、容量の約 70% までバルク充電が速く、その間、電池は電圧設定点で決定される大電流入力を数時間以内に受け入れます (所定の Ah 電池の設計C レートバルク段階電流を供給できる充電ソースを使用)。

ただし、最初のバルク充電後、電流が徐々に減少する中間吸収充電段階での時間が長くなり、LA バッテリーの充電受け入れ率が徐々に低下し、バッテリーがより高い C レートを受け入れなくなります。吸収段階の電圧設定点に達すると (充電電流が徐々に減少すると)、充電器はフロート電圧設定点に非常に低い C レートで切り替わり、バッテリーの完全充電状態を無期限に維持します (フロート段階では、時間の経過とともにバッテリーの通常の自己放電が相殺されます)。

充電器が十分な吸収段階の充電時間と C レート (安価なソーラー充電器によくある欠陥である「プラトー」またはタイムアウト) と適切なフロート充電プロファイルを提供できない場合、バッテリーの容量と寿命は大幅に減少します。

鉛蓄電池の寿命を最大限にするには、硫酸化を防ぐために放電サイクル後できるだけ早く完全に再充電し、保管中またはアイドリング中はフロート電源で完全充電レベルに保つ必要があります（または、工場から出荷されたばかりの新品を乾燥した状態で保管しますが、これは今日では一般的ではありません）。

放電サイクルで動作する場合、鉛蓄電池は放電深度（DOD）を50％未満、理想的には20～40％以下に保つ必要があります。真の^[23] LAディープサイクルバッテリーはより低いDOD（時には80％）まで下げることができますが、これらの高いDODサイクルは常に寿命を犠牲にします。

鉛蓄電池の寿命サイクルは、適切な取り扱いによって変わります。最も注意して使用した場合、500 ～ 1000 サイクルを達成できます。注意を怠ると、寿命は 100 サイクル程度にまで低下する可能性があります (使用環境にも依存します)。

密閉型AGMまたはゲルバッテリーは、水分の損失を減らすためにプレートにカルシウムが添加されているため、VRLAまたは従来設計の浸水型鉛蓄電池よりも速く充電されます。^{[24] [25]浸水型バッテリーと比較して、VRLAバッテリーは過度な充電中に}熱暴走を起こしやすくなります。電解液を比重計でテストして、バッテリー寿命を縮める可能性のある不適切な充電を診断することはできません。^[25]

AGM 自動車用バッテリーは、通常、特定の BCI サイズ グループ内の液浸セル バッテリーの約 2 倍の価格です。ゲル バッテリーの場合は、最大 5 倍の価格になります。

AGM およびゲル VRLA バッテリー:

• 液式鉛蓄電池よりも充電時間が短い。^[26]
• 過充電は許容されない：過充電は早期故障につながる。^[26]
• 適切にメンテナンスされた湿式電池に比べて耐用年数が短くなります。^[26]
• 水素ガスの排出量が大幅に減少します。^[26]
• AGM バッテリーは、本質的に、環境に対してより安全であり、使用してもより安全です。
• 任意の方向で使用または配置できます。

• 電池の種類一覧
• 砂のバッテリー
• ピューケルトの法則 – 鉛蓄電池の容量の法則

• 制御弁式鉛蓄電池。Patrick T. Moseley、Jurgen Garche、CD Parker、DAJ Rand編。p202
• Vinal, GW (1955 年 1 月 1 日) 蓄電池。二次電池の物理と化学、およびその工学的応用に関する一般論文。エネルギー引用データベース (ECD) : 文書番号 7308501
• ジョン・マクガバック。ケイ酸ゲルによる二酸化硫黄の吸収。エッシェンバッハ印刷社、1920 年。

• 米国特許 417,392 – 電気バッテリー用多孔質ポットの処理。エアハルト・ルートヴィヒ・マイヤーとヘンリー・リープマン
• 米国特許 3,271,199 – 固体酸蓄電池電解質。Alexander Koenig他
• 米国特許 4,134,192 – 複合バッテリープレートグリッド
• 米国特許 4,238,557 – デンプンコーティングされたガラス繊維を使用した鉛蓄電池プレート
• 米国特許 4,414,302 – 鉛蓄電池の製造方法およびこの方法に従って製造された鉛蓄電池。オットー・ヤッヘとハインツ・シュローダー

• Varta 発行の「なぜ自動スタートストップシステムに特別なバッテリーが必要なのか？」
• Lifeline が発行した AGM バッテリーの長所と短所