鉛蓄電池

鉛蓄電池

12ボルト鉛蓄電池
比エネルギー	35～40Wh / kg [1]
エネルギー密度	80～90Wh / L [1]
比出力	180ワット/キログラム[2]
充放電効率	50～95% [3]
エネルギー/消費者物価	7 ( sld ) から 18 ( fld ) Wh /US$ [4]
自己放電率	3%～20%/月[5]
サイクル耐久性	<350サイクル[6]
公称セル電圧	2.1V [ 7]
充電温度間隔	最低 -35°C、最高 45°C

鉛蓄電池は、 1859年にフランスの物理学者ガストン・プランテによって発明された充電式電池の一種で、史上初の充電式電池です。現代の充電式電池と比較すると、鉛蓄電池はエネルギー密度が比較的低いです。それにもかかわらず、高いサージ電流を供給することができます。これらの特徴と低コストにより、鉛蓄電池はスターターモーターに必要な高電流を供給する自動車での使用に適しています。鉛蓄電池は、サイクル寿命が比較的短い（通常500ディープサイクル未満）ほか、総寿命も短い（放電状態での二重硫酸化のため）、充電時間が長いなどの欠点があります。

鉛蓄電池は新しい技術に比べて高価ではないため、サージ電流が重要でなく、他の設計の方がエネルギー密度が高い場合でも広く使用されています。1999年の鉛蓄電池の売上は、世界（中国とロシアを除く）で販売された電池の40～50%を占め、製造市場価値は約150億米ドルに相当します。^[8]大型鉛蓄電池設計は、携帯電話サイトなどの通信ネットワークのバックアップ電源、病院で使用される高可用性緊急電源システム、独立型電源システムのストレージに広く使用されています。これらの用途では、標準セルの改良版を使用して、保管時間を短縮し、メンテナンス要件を軽減することができます。ゲルセルと吸収ガラスマットバッテリーは、これらの用途でよく使用され、総称して制御弁式鉛蓄電池（VRLA）と呼ばれています。

充電されると、バッテリーの化学エネルギーは、負極の金属鉛と正極の PbO ₂間の電位差に蓄えられます。

フランスの科学者ニコラ・ゴーテロは1801年に、電気分解実験に使用された電線が、主電池を取り外した後、それ自体が少量の二次電流を供給することを観察した。 ^[9] 1859年、ガストン・プランテの鉛蓄電池は、逆電流を流すことで再充電できる最初の電池であった。プランテの最初のモデルは、ゴム片で区切られた2枚の鉛板で構成され、らせん状に巻かれていた。^[10]彼の電池は、駅に停車中の列車の車両内の照明に最初に使用された。1881年、カミーユ・アルフォンス・フォールは、鉛の格子格子に酸化鉛ペーストを押し込んでプレートを形成する改良版を発明した。この設計は大量生産が容易であった。鉛蓄電池の初期の製造者（1886年以降）はアンリ・テューダーであった。^[要出典]

液体の代わりにゲル電解質を使用すると、電池をさまざまな位置で使用しても液漏れが起こらない。あらゆる位置で使用できるゲル電解質電池は1920年代後半に初めて使用され、1930年代には、携帯用スーツケースラジオセットで、バルブの設計によりセルを垂直または水平（逆さまにはできない）に取り付けることが可能になった。 ^[11] 1970年代には、現代の吸収ガラスマット（AGM ）タイプを含む、バルブ制御鉛蓄電池（VRLA）または密閉型電池が開発され、あらゆる位置で動作できるようになった。

2011年初頭、鉛蓄電池は実際に相対性理論のいくつかの側面を利用して機能していることが発見されました。また、Ca-SbやSn-Biなどの液体金属や溶融塩電池も、この効果をある程度利用しています。^{[12] [13]}

放電状態では、正極板と負極板の両方が硫酸鉛（II）（PbSO
₄）、電解質は溶解した硫酸の多くを失い、主に水になります。

負極板反応

Pb(s) + HSO⁻
₄(水溶液) → PbSO
₄(s) + H⁺
(水) + 2e ⁻

2 つの伝導電子が放出されると、鉛電極に負の電荷が与えられます。

電子が蓄積すると電界が発生し、水素イオンを引き寄せ、硫酸イオンをはじき、表面近くに二重層が形成されます。水素イオンは帯電した電極を溶液から遮断し、電荷が電極から流出しない限り、それ以上の反応を制限します。

陽性プレート反応

PbO
₂(s) + HSO⁻
₄(水溶液) + 3 H⁺
(水溶液) + 2e ⁻ → PbSO
₄(秒) + 2時間
₂O（l）

PbOの金属伝導性を利用する
₂。

総反応は次のように書ける。

Pb（s）+ PbO
₂(秒) + 2時間
₂それで
₄(水溶液) → 2 PbSO
₄(秒) + 2時間
₂O（l） ${\displaystyle E_{cell}^{\circ }=2.05{\text{V}}}$

Pb(s) 1モル（207 g）あたりに放出される正味エネルギーはPbSOに変換される。
₄(s) は約 400 kJ で、36 g の水の生成に相当します。反応物の分子量の合計は 642.6 g/モルなので、理論的にはセルは 642.6 g の反応物から 2ファラデーの電荷 (192,971クーロン) を生成でき、2 ボルトのセルの場合は 1 キログラムあたり 83.4アンペア時間(12 ボルトのバッテリーの場合は 1 キログラムあたり 13.9 アンペア時間) になります。これは反応物 1 キログラムあたり 167ワット時間になりますが、実際には水やその他の構成部品の質量により、鉛蓄電池はバッテリー 1 キログラムあたり 30～40 ワット時間しか生成しません。

完全に充電された状態では、負極板は鉛で構成され、正極板は二酸化鉛です。電解液には高濃度の硫酸水溶液が含まれており、化学エネルギーの大部分が蓄えられています。

高い充電電圧で過充電すると、水の電気分解によって酸素と水素ガスが発生し、泡となって失われます。一部のタイプの鉛蓄電池（VRLA（AGM またはゲル）ではなく「浸水型」など）の設計では、電解液のレベルを検査し、このようにして失われた電解液を純水で補充することができます。

凝固点降下により、バッテリーの充電量が少なく、それに応じて硫酸濃度が低い場合、寒冷環境では電解液が凍結する可能性が高くなります。

退院中、H⁺
負極板で生成された水素は電解液に移動し、正極板で消費されるが、HSO⁻
₄両方のプレートで消費されます。充電中はその逆のことが起こります。この動きは、電気的に駆動されるプロトンの流れ（グロッタス機構）、媒体を通じた拡散、または液体電解質媒体の流れによって起こります。硫酸濃度が高いほど電解質の密度が高くなるため、液体は対流によって循環する傾向があります。したがって、液体媒体セルは、同様のゲルセルよりも急速に放電し、急速に充電する傾向があります。

電解質が充放電反応に関与するため、このバッテリーは他の化学に比べて大きな利点が1つあります。それは、電解質の比重を測定するだけで充電状態を比較的簡単に判断できることです。比重はバッテリーが放電するにつれて低下します。バッテリーの設計によっては、異なる密度の色付き浮遊ボールを使用した簡単な比重計が含まれています。ディーゼル電気潜水艦で使用されていたときは、比重を定期的に測定し、船がどれだけ長く潜水状態を維持できるかを示すために制御室の黒板に書き込んでいました。^[14]

バッテリーの開放電圧は充電状態を測定するためにも使用できます。^[15]個々のセルへの接続にアクセスできる場合は、各セルの充電状態を決定して、バッテリー全体の健全性状態に関するガイドを提供できます。そうでない場合は、バッテリー全体の電圧を評価できます。

IUoU バッテリー充電は、鉛蓄電池の 3 段階充電手順です。鉛蓄電池の公称電圧は、セルごとに 2.2 V です。単一セルの場合、電圧は、完全放電時の負荷電圧 1.8 V から、完全充電時の開回路電圧 2.10 V までの範囲になります。

フロート電圧は電池の種類（浸水型セル、ゲル状電解質、吸着ガラスマット）によって異なり、1.8 Vから2.27 Vの範囲です。均等化電圧、および硫酸化セルの充電電圧は、2.67 Vからほぼ3 Vの範囲になります^[16]（充電電流が流れるまでのみ）。^{[17] [18]}特定の電池の具体的な値は設計と製造元の推奨事項に依存し、通常は基準温度20 °C（68 °F）で示され、周囲条件に合わせて調整する必要があります。IEEE標準485-2020（1997年に初版発行）は、据置型アプリケーションでの鉛蓄電池のサイズ決定に関する業界の推奨方法です。^[19]

鉛蓄電池は、2 つの電極にシート状の鉛板を使用して実証できます。ただし、このような構造では、はがき大の板で約 1 アンペアしか生成できず、その持続時間もわずか数分間です。

ガストン・プランテは、はるかに大きな有効表面積を提供する方法を発見した。プランテの設計では、正極板と負極板は、布で隔てられ、巻かれた2本の鉛箔の螺旋で形成されていた。当初、セルの容量は低かったため、鉛箔を腐食させてプレート上に二酸化鉛を生成し、プレートを粗くして表面積を増やすために、ゆっくりとした形成プロセスが必要だった。当初、このプロセスには一次電池からの電力が使用されていたが、1870年以降に発電機が利用可能になると、電池の製造コストが大幅に低下した。 ^[8]プランテのプレートは、プレートに機械的に溝をつけて表面積を増やすために、今でも一部の固定用途で使用されている。

1880年、カミーユ・アルフォンス・フォールは、鉛グリッド（電流導体として機能）を酸化鉛、硫酸、水のペーストでコーティングし、高湿度環境でプレートを穏やかな熱にさらす硬化段階を行う方法の特許を取得しました。硬化プロセスにより、ペーストは硫酸鉛の混合物に変化し、鉛プレートに付着しました。次に、バッテリーの初期充電（形成と呼ばれる）中に、プレート上の硬化ペーストが電気化学的に活性な材料（活性物質）に変換されました。フォールのプロセスにより、鉛蓄電池の製造時間とコストが大幅に削減され、プランテのバッテリーと比較して容量が大幅に増加しました。^[20]フォールの方法は、ペーストの組成、硬化（まだ蒸気で行われますが、現在では非常に厳密に制御されたプロセスです）、およびペーストが適用されるグリッドの構造と構成に段階的な改良を加えたもので、今日でも使用されています。

フォーレが開発したグリッドは、鉛のコネクティングロッドが直角に配置された純鉛製だった。これとは対照的に、現代のグリッドは、機械的強度と電流の流れが改善されるように構造化されている。さまざまなグリッドパターン（理想的には、プレート上のすべてのポイントが電力導体から等距離にある）に加えて、現代のプロセスでは、重量をより均等に分散するために、グリッド上に1つまたは2つの薄いグラスファイバーマットも適用されている。フォーレはグリッドに純鉛を使用していたが、1年以内に（1881年）、構造に追加の剛性を与えるために鉛アンチモン（8〜12％）合金に置き換えられた。しかし、アンチモンが多いグリッドは水素発生が多く（これも電池が古くなるにつれて加速する）、そのためガス放出が多くなり、メンテナンスコストが増加する。これらの問題は、1930年代にベル研究所のUBトーマスとWEハリングによって特定され、最終的には1935年に米国の電話網の待機電力電池用の鉛カルシウムグリッド合金の開発につながった。関連研究により、数年後にヨーロッパで鉛セレングリッド合金が開発されました。鉛カルシウムおよび鉛セレングリッド合金は両方とも、古い高アンチモングリッドよりはるかに少量ではあるものの、依然としてアンチモンを添加しています。鉛カルシウムグリッドには 4～6% のアンチモンが含まれ、鉛セレングリッドには 1～2% が含まれます。これらの冶金学的改良によりグリッドの強度が増し、より多くの重量、つまりより多くの活性物質を運ぶことができるようになりました。そのためプレートを厚くすることができ、その結果、バッテリーが使用できなくなる前に剥がれる材料が増えるため、バッテリーの寿命が延びます。高アンチモン合金グリッドは、頻繁なサイクリングを目的としたバッテリー、たとえばモーター始動アプリケーションで今でも使用されています。モーター始動アプリケーションでは、プレートの頻繁な膨張/収縮を補正する必要がありますが、充電電流が低いためガス放出は重要ではありません。 1950 年代以降、低頻度サイクル用途 (スタンバイ電源バッテリーなど) 向けに設計されたバッテリーには、水素発生が少なく、メンテナンスのオーバーヘッドが低いため、鉛カルシウムまたは鉛セレン合金グリッドがますます多く採用されるようになりました。鉛カルシウム合金グリッドは製造コストが安く (セルの初期コストが低いため)、自己放電率が低く、給水の必要性も低いですが、導電性がわずかに低く、機械的強度が弱い (そのため、補うためにより多くのアンチモンが必要) 上、鉛セレン合金グリッドのセルに比べて腐食を受けやすく (そのため寿命が短くなります) という欠点があります。

オープンサーキット効果は、カルシウムをアンチモンに置き換えたときに観察された、電池のサイクル寿命の劇的な低下です。アンチモンフリー効果としても知られています。^[21]

現代のペーストには、カーボン ブラック、 硫酸バリウム、リグニンスルホン酸塩が含まれています。 硫酸バリウムは、鉛と硫酸鉛の反応の種結晶として機能します。 硫酸バリウムが効果を発揮するには、ペースト内で完全に分散している必要があります。 リグニンスルホン酸塩は、放電サイクル中に負極板が固体の塊になるのを防ぎ、代わりに長い針状の樹枝状結晶の形成を可能にします。 長い結晶は表面積が広く、充電時に簡単に元の状態に戻ります。 カーボン ブラックは、リグニンスルホン酸塩による形成阻害効果を打ち消します。 スルホン化ナフタレン縮合物分散剤は、リグニンスルホン酸塩よりも効果的な膨張剤であり、形成を早めます。 この分散剤は、ペースト内の硫酸バリウムの分散を改善し、ハイドロセット時間を短縮し、より破損しにくいプレートを生成し、微細な鉛粒子を減らし、それによって取り扱いとペースト特性を改善します。 充電終了電圧を上げることで、電池寿命を延ばします。スルホン化ナフタレンはリグノスルホン酸の約3分の1から半分の量で済み、高温でも安定している。^[22]

乾燥後、プレートは適切なセパレーターとともに積み重ねられ、セル コンテナーに挿入されます。交互に重ねられたプレートは、交互に正極と負極を構成し、セル内では、後で互いに (負極と負極、正極と正極) 並列に接続されます。セパレーターは、プレートが互いに接触するのを防止します。接触すると、ショートが発生します。フラッデッド セルとゲル セルでは、セパレーターは絶縁レールまたはスタッドで、以前はガラスまたはセラミック製でしたが、現在はプラスチック製です。AGM セルでは、セパレーターはガラス マット自体で、プレートのラックとセパレーターはセルに挿入する前に一緒に圧縮されます。セルに挿入されると、ガラス マットがわずかに膨張し、プレートが所定の位置に効果的に固定されます。マルチセル バッテリーでは、セルは、セル壁を介したコネクタまたはセル壁上のブリッジを介して、互いに直列に接続されます。セル内およびセル間の接続はすべて、グリッドで使用されているものと同じ鉛合金で作られています。これは、ガルバニック腐食を防ぐために必要です。

ディープサイクル バッテリーの正極の形状は異なります。正極は平板ではなく、鉛酸化物の円筒またはチューブが一列に並んでいるため、その形状は管状または円筒形と呼ばれます。この利点は、電解質と接触する表面積が大きくなり、同じ容量と充電深度の平板セルよりも放電電流と充電電流が高くなることです。管状電極セルは平板セルよりも電力密度が高くなっています。このため、円筒形状のプレートは、フォークリフトや船舶用ディーゼル エンジンの始動など、重量やスペースに制限がある高電流アプリケーションに特に適しています。ただし、同じ容量の円筒には活性物質が少ないため、同等の平板セルよりもエネルギー密度が低くなります。また、電極の活性物質が少ないということは、セルが使用できなくなる前に剥がれる材料も少なくなることを意味します。円筒電極は均一に製造するのがより複雑なため、平板セルよりも高価になる傾向があります。これらのトレードオフにより、円筒形バッテリーが有効な用途の範囲は、より高容量の（したがってより大きな）平板ユニットを設置するためのスペースが不十分な状況に限定されます。

定格電流が約60A·hの自動車用鉛蓄電池の重量の約60%は鉛または鉛製の内部部品で、残りは電解液、セパレーター、ケースです。^[8]たとえば、一般的な14.5キログラム（32ポンド）のバッテリーには約8.7キログラム（19ポンド）の鉛が含まれています。

正極板と負極板の間にあるセパレータは、主に樹枝状結晶（トリーイング）による物理的な接触による短絡を防止しますが、活性物質の剥離による短絡も防止します。セパレータにより、電気化学セルのプレート間でイオンが流れ、閉回路が形成されます。セパレータの製造には、木材、ゴム、グラスファイバーマット、セルロース、PVCまたはポリエチレンプラスチックが使用されてきました。木材は元々の選択肢でしたが、酸性電解液で劣化します。

効果的なセパレータは、透過性、多孔性、細孔サイズ分布、比表面積、機械設計と強度、電気抵抗、イオン伝導性、電解質との化学的適合性など、いくつかの機械的特性を備えている必要があります。使用中、セパレータは酸と酸化に対して優れた耐性を備えている必要があります。プレート間の材料のショートを防ぐために、セパレータの面積はプレートの面積より少し大きくする必要があります。セパレータは、バッテリーの動作温度範囲にわたって安定している必要があります。

吸収性ガラスマット( AGM ) 設計では、プレート間のセパレーターが、電解液に浸したガラス繊維マットに置き換えられます。マットには、マットを湿らせるのに十分な量の電解液しか含まれておらず、バッテリーに穴が開いても、電解液はマットから流れ出ません。液式バッテリーの液体電解液を半飽和のガラス繊維マットに置き換える主な目的は、セパレーターを通るガス輸送を大幅に増加させることです。過充電または充電 (充電電流が過剰の場合) 中に生成される水素または酸素ガスは、ガラスマットを自由に通過して、それぞれ反対側のプレートを還元または酸化することができます。液式セルでは、ガスの泡がバッテリーの上部に浮かび、大気中に失われます。生成されたガスが再結合するこのメカニズムと、半飽和セルの追加の利点 (バッテリーケースの物理的な穴が開いても電解液が実質的に漏れない) により、バッテリーを完全に密閉できるため、ポータブルデバイスなどで役立ちます。さらに、バッテリーはどの向きでも取り付けることができますが、逆さまに取り付けると、過圧ベントから酸が吹き出す可能性があります。

水分損失率を減らすために、プレートにはカルシウムが合金化されていますが、バッテリーが急激に充電または放電されると、ガスが蓄積するという問題が残ります。バッテリーケースの過圧を防ぐために、AGM バッテリーには一方向のブローオフ バルブが組み込まれており、バルブ制御鉛蓄電池( VRLA ) 設計とも呼ばれます。

AGM 設計のもう 1 つの利点は、電解質がセパレーター材料となり、機械的に強力であることです。これにより、プレート スタックをバッテリー シェル内で圧縮することができ、液体またはゲル バージョンと比較してエネルギー密度がわずかに増加します。AGM バッテリーは、一般的な長方形の形状で構築すると、正極プレートの膨張により、シェルに特徴的な膨らみが現れることがよくあります。

マットは、バッテリー内の電解液の垂直方向の動きも防ぎます。通常のウェットセルを放電状態で保管すると、重い酸分子がバッテリーの底に沈む傾向があり、電解液が層状化します。その後、バッテリーを使用すると、電流の大部分がこの領域にのみ流れ、プレートの底部が急速に摩耗する傾向があります。これは、従来の自動車用バッテリーを長期間保管してから使用して再充電すると、バッテリーが損傷する可能性がある理由の 1 つです。マットは、この層状化を大幅に防止し、定期的にバッテリーを振ったり、沸騰させたり、均等充電して電解液を混ぜたりする必要がなくなります。層状化により、バッテリーの上層がほぼ完全に水になり、寒い天候で凍結する可能性があります。AGM は、低温での使用による損傷の影響を大幅に受けにくくなっています。

AGM セルは水分補給を許可しません (通常、バッテリーに穴を開けずに水を追加することは不可能です) が、その再結合プロセスは、通常の化学プロセスによって基本的に制限されます。水素ガスは、プラスチック ケース自体を通り抜けて拡散します。AGM バッテリーに水を追加すると効果的であると考える人もいますが、拡散によってバッテリー全体に水が混ざるように、ゆっくりと行う必要があります。鉛蓄電池が水分を失うと、酸の濃度が上昇し、プレートの腐食速度が大幅に増加します。AGM セルは、水分損失速度を下げてスタンバイ電圧を上げるために、すでに酸含有量が高くなっています。そのため、鉛アンチモン浸水型バッテリーに比べて寿命が短くなります。AGM セルの開回路電圧が 2.093 ボルト (12 V バッテリーの場合は 12.56 V) よりも大幅に高い場合、浸水型セルよりも酸含有量が多くなります。これは AGM バッテリーでは正常ですが、長寿命には望ましくありません。

意図的または偶発的に過充電された AGM セルは、失われた水 (および酸濃度の増加) に応じて、より高い開回路電圧を示します。1 アンペア時間の過充電により、セルあたり 0.335 グラムの水が電気分解されます。この遊離した水素と酸素の一部は再結合しますが、すべてではありません。

1970 年代に、研究者らは、シリカゲル化剤を電解質に混ぜた密閉型またはゲル電池を開発しました (1930 年代初頭のポータブルラジオで使用されていたシリカゲルベースの鉛蓄電池は完全に密閉されていませんでした)。これにより、以前は液体であったセルの内部が半硬質ペーストに変換され、AGM と同じ利点の多くが得られます。このような設計は蒸発の影響を受けにくく、定期的なメンテナンスがほとんどまたはまったく不可能な状況でよく使用されます。ゲルセルは、従来のウェットセルや AGM で使用される液体電解質よりも凝固点が低く、沸点が高いため、過酷な条件での使用に適しています。

ゲル設計の唯一の欠点は、ゲルが電解質内のイオンの急速な動きを妨げ、キャリアの移動度とサージ電流能力が低下することです。このため、ゲルセルはオフグリッド システムなどのエネルギー貯蔵アプリケーションで最もよく使用されます。

ゲルと AGM の両方の設計は密閉されており、散水が不要で、どの向きでも使用でき、ガス吹き出し用のバルブを使用します。このため、両方の設計はメンテナンスフリー、密閉、VRLA と呼ばれることがあります。ただし、これらの用語が具体的にこれらの設計のいずれかを指していると述べるリソースを見つけることは非常に一般的です。

制御弁式鉛蓄電池（VRLA）では、セル内で生成された水素と酸素は、主に水に再結合します。漏れは最小限ですが、再結合がガスの発生に追いつかない場合は、いくらかの電解液が漏れ出します。VRLA バッテリーは電解液レベルの定期的なチェックが不要（不可能）であるため、メンテナンスフリー バッテリーと呼ばれています。ただし、これは多少誤った呼び方です。VRLA セルはメンテナンスが必要です。電解液が失われると、VRLA セルは乾燥して容量が低下します。これは、定期的に内部抵抗、コンダクタンス、またはインピーダンスを測定することで検出できます。定期的なテストにより、より複雑なテストとメンテナンスが必要かどうかがわかります。最近、再水和を可能にするメンテナンス手順が開発され、失われた容量を大幅に回復できることがよくあります。

VRLAタイプは1983年頃にオートバイで普及しました。^[23]これはセパレータが振動耐性を向上させ、酸性電解液の漏れを防ぐためです。^[24]また、設置面積が小さく設置の柔軟性が高いため、通信施設などの固定用途でも人気があります。^[25]

世界の鉛蓄電池のほとんどは自動車の始動、照明、点火（SLI）用電池であり、1999年には推定3億2000万個が出荷されました。 ^[8] 1992年には約300万トンの鉛が電池の製造に使用されました。

深放電用に設計された湿式スタンバイ（据置型）電池は、電話やコンピューターセンター、グリッドエネルギー貯蔵、オフグリッド家庭用電力システムなどの大型バックアップ電源によく使用されます。^[26]鉛蓄電池は、非常照明や停電時の排水ポンプへの電力供給に使用されます。

牽引（推進）バッテリーは、ゴルフカートやその他のバッテリー式電気自動車に使用されています。大型鉛蓄電池は、ディーゼル電気式（従来型）潜水艦が潜水時に電動モーターに電力を供給するためにも使用され、原子力潜水艦の非常用電源としても使用されています。制御弁式鉛蓄電池は電解液が漏れることはありません。アラームや小型コンピュータシステム（特に無停電電源装置）のバックアップ電源、電動スクーター、電動車椅子、電動自転車、船舶用途、バッテリー式電気自動車またはマイクロハイブリッド車、オートバイに使用されています。多くの電動フォークリフトは鉛蓄電池を使用しており、重りがカウンターウェイトの一部として使用されています。鉛蓄電池はフィラメント（ヒーター）電圧を供給するために使用され、初期の真空管（バルブ）ラジオ受信機 では2Vが一般的でした。

鉱山労働者のキャップ型ヘッドランプ用のポータブルバッテリーには、通常2つまたは3つのセルがあります。^[27]

自動車エンジンの始動用に設計された鉛蓄電池は、深放電用に設計されていません。これらの電池には、最大表面積、つまり最大電流出力のために設計された多数の薄いプレートがあり、深放電によって簡単に損傷を受ける可能性があります。深放電を繰り返すと、サイクルによって生じる 機械的ストレスにより電極が分解し、容量が失われ、最終的には早期故障につながります。

始動用バッテリーを連続的にフロート充電しておくと、電極が腐食して早期故障の原因になります。^{[要出典]したがって、始動用バッテリーは}開回路のままにしておき、硫酸化を防ぐために定期的に（少なくとも 2 週間に 1 回）充電する 必要があります。

始動用バッテリーは、同じサイズのディープサイクル バッテリーよりも軽量です。これは、より薄くて軽いセル プレートがバッテリー ケースの底まで伸びていないためです。これにより、緩んで分解した物質がプレートから落ちてセルの底に集まり、バッテリーの耐用年数が長くなります。この緩んだ破片が十分に浮上すると、プレートの底に触れてセルが故障し、バッテリーの電圧と容量が失われる可能性があります。

特別に設計されたディープサイクルセルは、サイクルによる劣化の影響を受けにくく、太陽光発電システム、電気自動車（フォークリフト、ゴルフカート、電気自動車など）、無停電電源装置など、バッテリーが定期的に放電されるアプリケーションに必要です。これらのバッテリーはプレートが厚く、ピーク電流をそれほど供給できませんが、頻繁な放電に耐えることができます。^[28]

一部のバッテリーは、スターター (高電流) とディープサイクルの妥協案として設計されています。自動車用バッテリーよりも高い放電が可能ですが、ディープサイクル バッテリーほど放電できません。マリンバッテリー、モーターホーム バッテリー、レジャー バッテリーと呼ばれることもあります。

鉛蓄電池の容量は一定ではなく、放電速度に応じて変化します。放電速度と容量の経験的な関係は、Peukert の法則として知られています。

バッテリーが充電または放電されると、電極と電解質の界面にある反応化学物質のみが最初に影響を受けます。時間の経過とともに、界面の化学物質に蓄えられた電荷（界面電荷または表面電荷と呼ばれることが多い）は、これらの化学物質の拡散によって活物質の体積全体に広がります。

完全に放電したバッテリー（車のライトを一晩つけっぱなしにしたときなど、約 6 アンペアの電流が流れる）について考えてみましょう。このバッテリーを数分間だけ急速充電すると、バッテリー プレートはプレートと電解質の界面付近でのみ充電されます。この場合、バッテリー電圧は充電器の電圧に近い値まで上昇する可能性があります。これにより、充電電流が大幅に減少します。数時間後、この界面電荷は電極と電解質の体積に広がり、界面電荷が非常に低くなり、車を始動できない可能性があります。^[29] 充電電圧がガス発生電圧（通常の鉛蓄電池では約 14.4 ボルト）を下回っている限り、バッテリーが損傷する可能性は低く、時間が経つとバッテリーは公称充電状態に戻ります。

鉛蓄電池は、長時間放電すると硫酸鉛の結晶化である硫酸化により充電を受け入れる能力を失います。^[30]これらの電池は、二重硫酸化学反応によって発電します。電池の極板上の活性物質である鉛と二酸化鉛は、電解液中の硫酸と反応して硫酸鉛を形成します。硫酸鉛は最初、細かく分割された非晶質の状態で形成され、電池が再充電されると鉛、二酸化鉛、硫酸に簡単に戻ります。電池が多数の放電と充電を繰り返すと、一部の硫酸鉛は電解液に再結合せず、ゆっくりと安定した結晶形に変化し、再充電時に溶解しなくなります。したがって、鉛のすべてが電池極板に戻るわけではなく、発電に必要な使用可能な活性物質の量は時間の経過とともに減少します。

鉛蓄電池の硫酸化は、通常の動作中に不十分な充電を受けたときに発生しますが、鉛蓄電池が不完全な充電で長期間使用されていない場合にも発生します。^[31]硫酸化は再充電を妨げます。硫酸塩の堆積物は最終的に膨張し、プレートにひびが入り、バッテリーが破壊されます。最終的には、バッテリープレートの大部分が電流を供給できなくなり、バッテリー容量が大幅に減少します。さらに、硫酸鉛の硫酸塩部分は硫酸として電解液に戻りません。大きな結晶が物理的に電解液がプレートの細孔に入るのをブロックすると考えられています。透明なケースのバッテリーやバッテリーを分解した後、プレートの白いコーティングが見える場合があります。硫酸化されたバッテリーは内部抵抗が高く、通常の放電電流のほんの一部しか供給できません。硫酸化は充電サイクルにも影響を及ぼし、充電時間が長くなり、充電効率が低下して不完全になり、バッテリー温度が高くなります。

SLI バッテリー (始動、照明、点火、例: 車のバッテリー) は、車両が比較的長期間使用されないことが多いため、最も劣化が激しくなります。ディープサイクル バッテリーと動力用バッテリーは、定期的に制御された過充電にさらされ、最終的には硫酸化ではなく正極板グリッドの腐食によって故障します。

放電サイクルの直後にバッテリーを完全に再充電すれば、硫酸化を防ぐことができます。^[32]硫酸化を元に戻すための独立した検証済みの方法は知られていません。^{[8] [33]パルス充電などのさまざまな技術で}脱硫酸化を達成すると主張する市販製品はありますが、その主張を検証する査読済みの出版物はありません。硫酸化を防ぐには、鉛蓄電池を定期的に完全に充電することが最善の対策です。

一般的な鉛蓄電池には、水と酸の濃度が異なる混合物が含まれています。硫酸は水よりも密度が高いため、充電中にプレートで生成された酸が下方に流れ、バッテリーの底に集まります。最終的には、混合物は拡散によって再び均一な組成になりますが、これは非常に遅いプロセスです。部分的な充電と放電のサイクルを繰り返すと、電解質の層別化が進み、上部の酸が不足してプレートの活性化が制限されるため、バッテリーの容量と性能が低下します。層別化により、プレートの上部半分の腐食と下部の硫酸化も促進されます。^[34]

定期的な過充電により、プレートにガス反応生成物が生成され、対流が発生して電解質が混合され、層化が解消されます。電解質を機械的に撹拌しても同じ効果が得られます。走行中の車両に搭載されたバッテリーは、車両の加速、ブレーキ、旋回時にセル内で揺れや飛沫が発生します。

過充電は電気分解を引き起こし、ガス発生と呼ばれるプロセスで水素と酸素を放出します。湿式セルには、発生したガスを放出するための開口部があり、VRLA バッテリーは各セルに取り付けられたバルブに依存しています。触媒キャップは、水素と酸素を再結合するために浸水セルで使用できます。VRLA セルは通常、セル内で発生した水素と酸素を再結合しますが、故障や過熱によりガスが蓄積する可能性があります。これが発生すると (たとえば、過充電時)、バルブがガスを放出して圧力を正常化し、特徴的な酸性の臭いが発生します。ただし、汚れや破片が蓄積するとバルブが故障し、圧力が高まる可能性があります。

蓄積された水素と酸素は、内部爆発で発火することがあります。爆発の衝撃により、バッテリーのケースが破裂したり、上部が飛び散って酸やケースの破片が飛び散ったりすることがあります。1 つのセルで爆発が起こると、残りのセル内の可燃性ガス混合物が発火することがあります。同様に、換気の悪い場所では、バッテリー端子に閉回路 (負荷や充電器など) を接続または切断すると、セルからガスが放出されていた場合に火花や爆発が発生することがあります。

バッテリー内の個々のセルが短絡して爆発を引き起こす可能性もあります。

VRLA バッテリーのセルは通常、内部圧力が上昇すると膨張するため、ユーザーやメカニックに警告を発します。変形はセルごとに異なり、壁が他のセルによって支えられていない端で最大になります。このような過剰圧力のバッテリーは、慎重に隔離して廃棄する必要があります。爆発の危険があるバッテリーの近くで作業する人は、フェイスシールド、オーバーオール、手袋を着用して、噴霧された酸や火による火傷から目や露出した皮膚を保護する必要があります。フェイスシールドの代わりにゴーグルを使用すると、飛散する酸、ケースやバッテリーの破片、爆発による熱に顔がさらされる可能性があります。

ミシガン州アナーバーの環境防衛およびエコロジーセンターによる2003年の報告書「鉛の除去」によると、路上を走る自動車のバッテリーには推定260万メートルトン（260万ロングトン、290万ショートトン）の鉛が含まれていた。鉛化合物の中には極めて有毒なものもある。これらの化合物に微量でも長期間さらされると、脳や腎臓に損傷が生じ、聴覚障害や子供の学習障害を引き起こす可能性がある。^[35] 自動車産業は毎年100万メートルトン（98万ロングトン、110万ショートトン）以上の鉛を使用しており、その90％が従来の鉛蓄電池に使用されている。鉛のリサイクルは確立された産業であるが、毎年4万トン（3万9千ロングトン、4万4千ショートトン）以上が埋め立て地に廃棄されている。連邦有害物質排出目録によると、さらに7万トン（6万9千ロングトン、7万7千ショートトン）が鉛の採掘と製造の過程で排出されている。^[36]

不適切な廃棄や鉛精錬作業による環境への影響などへの懸念から、代替品（特に自動車用）の開発が進められています。バッテリーは重いものの、初期費用が安価であるため、エンジン始動やバックアップ電源システムなどの用途では代替品がバッテリーに取って代わることはなさそうです。

業界団体のバッテリー協議会によると、鉛蓄電池のリサイクルは世界で最も成功しているリサイクルプログラムの一つです。米国では2014年から2018年の間にバッテリー鉛の99%がリサイクルされました。 ^{[37] [疑わしい–議論が必要] [より良い情報源が必要]}しかし、1982年以降の米国環境保護局の文書では、リサイクル率は60%から95%の間で変動していることが示されています。^{[38] [39]}

鉛は人体に対して非常に有毒であり、リサイクルは人体への汚染や汚染につながり、数多くの長期にわたる健康問題を引き起こす可能性があります。^{[40] [41]}あるランキングでは、鉛蓄電池のリサイクルは、障害調整生存年数の観点から世界で最も致命的な産業プロセスであるとされており、世界全体で推定200万～480万年の人間の寿命が失われています。^[42]

鉛蓄電池のリサイクル施設自体が鉛汚染源となっており、1992年までにEPAはスーパーファンド浄化事業のために29か所のそのような施設を選択し、そのうち22か所を国家優先リストに載せた。^[39]

鉛の排出を防ぐには、効果的な汚染制御システムが不可欠です。鉛製錬所の排出基準を満たすには、バッテリーリサイクル工場と炉の設計を継続的に改善する必要があります。

鉛蓄電池が商品化されて以来、鉛蓄電池の電解液に添加することで鉛の硫酸塩の蓄積を減らし、電池の状態を改善するために化学添加剤が使用されてきました。このような処理が効果的であることはほとんどありません。^[43]

このような目的で使用される 2 つの化合物は、エプソム塩とEDTAです。エプソム塩は、弱ったまたは損傷したバッテリーの内部抵抗を減らし、寿命をわずかに延ばすことができます。EDTA は、激しく放電したプレートの硫酸塩堆積物を溶解するために使用できます。ただし、溶解した物質は通常の充電放電サイクルに参加できなくなるため、EDTA で一時的に復活したバッテリーの寿命は短くなります。鉛蓄電池セルに残留した EDTA は有機酸を形成し、鉛プレートと内部コネクタの腐食を加速します。

活物質は充電/放電中に物理的形状が変化し、その結果、電極が成長して変形し、電解質に電極が脱落します。活物質がプレートから脱落すると、いかなる化学処理によっても元の位置に戻すことはできません。同様に、プレートのひび割れ、コネクタの腐食、セパレータの損傷などの内部の物理的問題も化学的に修復することはできません。

鉛蓄電池の外部金属部品の腐食は、電池端子、プラグ、コネクタの化学反応によって発生します。

プラス端子の腐食は、バッテリー端子とケーブルコネクタの製造に使用される金属合金の不一致による電気分解によって引き起こされます。白色腐食は通常、鉛または亜鉛硫酸塩結晶です。アルミニウムコネクタは硫酸アルミニウムに腐食します。銅コネクタは青と白の腐食結晶を生成します。バッテリーの端子の腐食は、端子をワセリンまたは市販の目的で作られた製品でコーティングすることで軽減できます。^[44]

バッテリーに水と電解液が過剰に充填されている場合、熱膨張により液体の一部がバッテリーの通気孔からバッテリーの上部に押し出される可能性があります。この溶液は、バッテリー コネクタ内の鉛やその他の金属と反応して腐食を引き起こす可能性があります。

バッテリー端子がプラスチックケースを貫通している部分のプラスチックと鉛のシールから電解液が漏れることがあります。

過充電やバッテリー ボックスの換気不足などにより、通気口キャップから酸性の蒸気が蒸発し、硫酸の蒸気が蓄積して露出した金属と反応する可能性があります。

• magnalabs.com、バッテリープレートの硫酸化
• reuk.co.uk、バッテリー脱硫
• reuk.co.uk、鉛蓄電池
• cbcdesign.co.uk、DC 電源 (2002 年 4 月)
• comcast.net、SME 鉛蓄電池に関する技術詳細

ウィキメディア・コモンズには、鉛蓄電池に関連するメディアがあります。

• btterycouncil.org (BCI)、鉛蓄電池メーカーの業界団体。
• batteryfaq.org、自動車とディープサイクルバッテリーに関する FAQ
• atsdr.cdc.gov、鉛（Pb）毒性：主要概念 | ATSDR – 環境医学と環境保健教育 - CSEM 環境医学のケーススタディ（CSEM）、毒性物質および疾病登録機関
• alton-moore.net、鉛蓄電池脱硫装置（Home Power #77 2000年6月/7月）]