自動車用バッテリー

自動車用バッテリー、またはカーバッテリーとは、自動車の始動に使用される充電式バッテリーであり、エンジン停止中はライトやワイパーなどに電力を供給するために使用されます。

その主な目的は、電動スターターモーターに電流を供給することであり、それによって化学燃料式の内燃機関が始動し、実際に車両を推進する。エンジンが作動した後も、車両の電気系統への電力はバッテリーから供給され、オルタネーターは需要の増減に応じてバッテリーを充電する。

初期の自動車には、電気系統が限られていたため、バッテリーは搭載されていませんでした。点火用の電力はマグネトーによって供給され、エンジンはクランクで始動し、ヘッドライトはガスで点灯し、電気ホーンの代わりにベルや電球ホーンが使用されていました。自動車に電気スターターモーターが搭載されるようになった1920年頃になると、自動車用バッテリーが広く使用されるようになりました。^{[ 9 ]}

最初の始動および充電システムは、6ボルトの正接地システムとして設計され、車両のシャーシがバッテリーの正端子に直接接続されていました。^{[ 10 ]}今日では、ほとんどすべての道路車両が負接地システムを採用しています。^{[ 11 ]}バッテリーの負端子は、車のシャーシに接続されています。

ハドソン・モーター・カー・カンパニーは、 1918年にバッテリー・カウンシル・インターナショナル（BCI）のバッテリーの使用を開始した際に、標準化されたバッテリーを初めて使用した。BCIはバッテリーの寸法規格を設定する組織である。^{[ 12 ]}

自動車は 1950年代半ばまで6Vの電気システムとバッテリーを使用していた。6Vから12Vへの切り替えは、圧縮比 の高い大型エンジンが始動により多くの電力を必要とするようになったときに起こった。^{[ 13 ]}始動に必要な電力が少ない小型車は、例えば1960年代半ばのフォルクスワーゲン・ビートルや1970年のシトロエン2CVのように、より長く6Vのままだった。 

補充不要のAGM密閉型バッテリー（自動車用）は1971年に発明された。 ^{[ 9 ]}

1990年代には、42Vの電気システム規格が提案されました。これは、より強力な電動アクセサリーと軽量な自動車用配線ハーネスを可能にすることを目的としていました。しかし、高効率モーター、新しい配線技術、デジタル制御の普及、高電圧スターター/ジェネレーターを使用するハイブリッド車システムへの注目により、自動車の主電圧を切り替える動きはほぼなくなりました。^{[ 14 ]}

2023年、テスラは48ボルトの電気システムを採用したサイバートラックの納車を開始し、車両の配線を70%削減した。^{[ 15 ]}

自動車用バッテリーは、6つのセルからなる湿式バッテリーの一例です。鉛蓄電池の各セルは、スポンジ鉛板（カソード）^{[ 16 ]}を充填した鉛合金グリッド、または二酸化鉛でコーティングされた（アノード） ^{[ 16 ]}交互のプレートで構成されています。各セルには、電解液である硫酸溶液が満たされています。当初、各セルには、電解液レベルを確認したり、セルに水を追加したりできる充填キャップが付いていました。充填キャップには、充電中に発生した水素ガスをセルから逃がすための小さな通気孔がありました。

電池は、一方の電池の正極板から隣接する電池の負極板まで、短くて太いストラップで接続されています。腐食を防ぐために鉛メッキされた一対の太い端子が、電池の上部、場合によっては側面に取り付けられています。初期の自動車用電池は、硬質ゴム製のケースと木製のセパレーターを使用していました。現代の電池は、プラスチック製のケースと織布シートを使用し、電池の極板同士が接触して短絡するのを防いでいます。

従来、自動車用バッテリーは、動作中に分解した水を補充するために定期的な点検とメンテナンスが必要でした。「低メンテナンス」（「ゼロメンテナンス」と呼ばれることもあります）バッテリーは、プレート要素に異なる合金を使用することで、充電時に分解される水の量を減らしています。最新のバッテリーは、耐用期間中に追加の水を必要としない場合があり、一部のタイプでは各セルの個別の給水キャップが不要になっています。これらのバッテリーの弱点は、ライトを点灯したままにして車のバッテリーを完全に放電させるなど、過放電に非常に弱いことです。これにより、鉛プレート電極に硫酸鉛が付着し、バッテリーの寿命が3分の1以上短くなる可能性があります。

VRLAバッテリーは、吸収ガラスマット（AGM）バッテリーとも呼ばれ、過放電に対する耐性が高いが、高価である。^{[ 17 ]} VRLAバッテリーは、セルに水を追加することはできません。各セルには、過充電や内部故障によるケースの破裂を防ぐための自動圧力解放弁が備わっています。VRLAバッテリーは電解液が漏れることがないため、オートバイなどの車両に特に適しています。

電池は通常、直列回路の6 つのガルバニ電池で構成されています。各セルは 2.1 ボルトを供給し、満充電時には合計 12.6 ボルトになります。^{[ 18 ]}放電中、負極 (鉛) 端子では化学反応により電子が外部回路に放出され、正極 (酸化鉛) 端子では別の化学反応により外部回路から電子が吸収されます。これにより、電子が外部回路のワイヤ (電気伝導体) を通って移動し、電流 (電気) が発生します。電池が放電すると、電解液の酸がプレートの材料と反応し、表面が硫酸鉛に変化します。電池が再充電されると、化学反応が逆転し、硫酸鉛が二酸化鉛に再生されます。プレートが元の状態に戻ると、このプロセスが繰り返されます。

一部の車両では、他の始動用バッテリーを使用しています。軽量化のため、2010年型ポルシェ911 GT3 RSにはリチウムイオンバッテリーがオプションとして用意されています。 ^{[ 19 ]} 2018年以降、すべてのキア・ニロの従来型ハイブリッド車にもリチウムイオンバッテリーが搭載されています。^{[ 20 ]}大型車両では、 24Vシステム用に2つのバッテリーを直列接続するか、 24V を供給するバッテリーの直並列グループを使用する場合があります。 ^{[ 21 ]} 

過度の熱はバッテリー故障の主な原因であり、高温により電解液が蒸発し、電解液に接するプレートの有効表面積が減少し、サルフェーションを引き起こします。グリッドの腐食速度は温度とともに増加します。^{[ 28 ] [ 29 ]}また、低温もバッテリー故障の原因となる可能性があります。^{[ 30 ]}

バッテリーが放電してエンジンを始動できない場合は、外部電源を使用してエンジンをジャンプスタートできます。エンジンが始動すると、オルタネーターと充電システムが損傷していなければ、エンジンがバッテリーを再充電できます。^{[ 31 ]}

バッテリー端子の腐食は電気抵抗により車の始動を妨げる可能性がありますが、これは誘電グリースを適切に塗布することで防ぐことができます。^{[ 32 ] [ 33 ]}

サルフェーションとは、電極が硫酸鉛の硬い層で覆われ、バッテリーが弱くなる現象です。サルフェーションは、バッテリーが完全に充電されずに放電状態のままになっている場合に発生する可能性があります。^{[ 34 ]}サルフェーションを起こしたバッテリーは、損傷を防ぐためにゆっくりと充電する必要があります。^{[ 35 ]}

SLIバッテリー（始動、照明、点火用）は過放電を想定して設計されておらず、過放電にさらされると寿命が短くなります。^{[ 36 ]}

始動用バッテリーは、表面積を増やすことで瞬間的な電流供給能力を高めるように設計されたプレートを備えている一方、船舶用（ハイブリッド）バッテリーやディープサイクルバッテリーは、プレートが厚く、プレート底部に使用済みプレート材料が溜まりやすく、セルが短絡するのを防ぐようになっている。

鉛アンチモン板を使用した自動車用バッテリーは、電気分解や蒸発によって失われる水を補うため、定期的に純水を補充する必要があります。最近の設計では、合金元素をカルシウムに変更することで、水の損失率を低減しています。現代の自動車用バッテリーはメンテナンスの手間が軽減されており、セルに水を補充するためのキャップがない場合もあります。このようなバッテリーは、バッテリー寿命中の損失を補うために、プレートの上に余分な電解液を備えています。

バッテリーメーカーによっては、バッテリーの充電状態を示すために、比重計を内蔵しているものもあります。

主な劣化メカニズムは、電池プレートから活性物質が剥離し、セル底部に蓄積して最終的にプレートを短絡させることです。これを大幅に軽減するには、透過性のあるプラスチック製のセパレーターバッグでプレートの片側を囲むのが効果的です。これにより、電解液とイオンは通過できますが、スラッジの蓄積がプレート間を架橋するのを防ぎます。スラッジは主に硫酸鉛で構成されており、これは両方の電極で生成されます。

自動車用バッテリーのリサイクルは、新しいバッテリーの製造に必要な資源の必要性を減らし、有害な鉛を埋立地から転用し、不適切な廃棄のリスクを防ぎます。鉛蓄電池が充電できなくなった時点で、使用済み鉛蓄電池（ULAB）とみなされ、バーゼル条約の下では有害廃棄物に分類されます。米国環境保護庁によると、12ボルトの自動車用バッテリーは世界で最もリサイクルされている製品です。^{[ 37 ]}米国だけでも、年間約1億3000万個の自動車用バッテリーが交換され、その99%がリサイクルに回されています。しかし、規制のない環境ではリサイクルが正しく行われない可能性があります。世界的な廃棄物取引の一環として、ULABは工業国から発展途上国に輸送され、解体されて内容物が回収されます。^{[ 38 ]}鉛の約97%を回収できます。Pure Earthは、発展途上国で1200万人以上がULAB処理による鉛汚染の影響を受けていると推定しています。^{[ 39 ]}

ULABのリサイクルは、汚染避難所仮説を裏付ける例として用いられてきた。2009年、米国環境保護庁は鉛汚染に関する国家大気質基準を大幅に厳格化した^{[ 40 ]}。これにより国内でのリサイクルはより困難かつ高価になったが、企業が環境基準が低く執行が緩い国に作業を移転することを禁止することはなかった。この変更後、米国からメキシコへの使用済み鉛蓄電池の輸出は4倍に増加し、その後、メキシコの電池リサイクル工場から半径2マイル（3.2km ）以内に住む母親から生まれた低出生体重児が大幅に増加した^{[ 40 ] 。} 

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