ニッケル鉄電池

ニッケル鉄電池（NiFe電池）は、酸化水酸化ニッケル（III）正極板と鉄負極板、水酸化カリウム電解液を有する充電式電池です。活物質はニッケルメッキ鋼管または穴あきポケットに保持されています。過充電、過放電、短絡などの乱暴な扱いにも耐える非常に堅牢な電池であり、そのような扱いを受けた場合でも非常に長寿命です。^{[ 7 ]} 連続充電が可能で20年以上使用できるバックアップ用途によく使用されます。比エネルギーが低く、充電保持力が悪く、製造コストが高いため、ほとんどの用途で他のタイプの充電式電池がニッケル鉄電池に取って代わりました。^{[ 8 ]}

多くの鉄道車両はNiFe電池を使用しています。^{[ 9 ] [ 10 ]}例としては、ロンドン地下鉄の電気機関車やニューヨーク市地下鉄の車両R62Aなどがあります。

この技術は、毎日の充電が適切な技術となるオフグリッド用途で再び人気を集めている。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

ニッケル鉄電池と鉛電池は完全に充電されると水素を生成し始めますが、これは欠点と見なされていました。現在、ニッケル鉄電池は燃料電池車や貯蔵用の水素製造のための複合電池および電気分解としての使用が研究されています。これらの「バトライザー」は従来の電池のように充電および放電でき、完全に充電されると水素を生成します。^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]} 「Battolyser」は、デルフト工科大学のスピンオフ企業であるオランダのBattolyser Systemsの登録商標です。2023年、BattolyserはデルフゼイルのRWE Magnum発電ガスプラントに最初の産業規模のBattolyserシステムを設置しました。^{[ 17 ]}

これらの電池が頻繁な充放電に耐えられるのは、反応物の電解液への溶解度が低いためです。水酸化第一鉄の溶解度が低いため、充電中に金属鉄が形成される速度は遅くなります。鉄結晶の形成が遅いことで電極は保護されますが、高速性能も制限されます。これらの電池は充電速度が遅く、放電速度も遅くなります。^{[ 7 ]}ニッケル鉄電池は、熱暴走によって損傷を受ける可能性があるため、定電圧電源から充電してはいけません。ガスが発生し始めると電池内部の電圧が低下し、温度が上昇し、電流が増加してガス発生と温度がさらに上昇します。

正極板における黒色の酸化水酸化ニッケル(III) NiO(OH) から緑色の水酸化ニッケル(II) Ni(OH) ₂への半電池反応： 

${\displaystyle {\ce {2 NiO(OH) + 2 H2O + 2 e- <=> 2 Ni(OH)2 + 2 OH-}}}$

そしてネガプレートでは：

${\displaystyle {\ce {Fe + 2 OH- <=> Fe(OH)2 + 2 e-}}}$

（放電は左から右へ、充電は右から左へ読みます。）^{[ 18 ]}

開放電圧は1.4ボルトで、放電中は 1.2 ボルトまで低下します。^{[ 7 ]}水酸化カリウムと水酸化リチウムの電解液混合物は充電または放電で消費されないため、鉛蓄電池とは異なり、電解液の比重は充電状態を示しません。^{[ 7 ]} NiFe 電池を充電するために必要な電圧は、セルあたり 1.6 ボルト以上です。^{[ 19 ]}水酸化リチウムの添加により、セルの性能が向上します。均等化充電電圧は 1.65 ボルトです。

スウェーデンの発明家ヴァルデマール・ユングナーは1899年にニッケルカドミウム電池を発明した。ユングナーはカドミウムを鉄に置き換える実験を様々な割合で行い、100%鉄の場合も試した。ユングナーはニッケルカドミウム電池に比べてコスト面で大きな利点があることを発見したが、充電反応の効率が低く、水素の発生（ガス化）がより顕著であったため、ニッケル鉄技術は不十分であることが判明し、放棄された。ユングナーは鉄バージョンの電池についていくつかの特許を取得している（スウェーデン特許第8.558 /1897号、第10.177 /1899号、第11.132 /1899号、第11.487 /1899号、ドイツ特許第110.210/1899号）。さらに、NiCd電池についても1つの特許を取得している（スウェーデン特許第15.567 /1899号）。 ^{[ 20 ]}

1901年、トーマス・エジソンは米国でNiFeの特許を取得し、商業化しました^{[ 21 ]。}そして、デトロイト・エレクトリックやベーカー・エレクトリックなどの電気自動車のエネルギー源として提供しました。エジソンは、ニッケル鉄の設計は「鉛板と酸を使用した電池（鉛蓄電池）よりもはるかに優れている」と主張しました^{[ 22 ]} 。エジソンは、米国特許678,722 /1901、米国特許692,507 /1902、ドイツ特許No.157,290/1901など、いくつかの特許を取得しました^{[ 20 ] 。}

エジソンは、自身の電池が内燃機関の始動に採用されなかったこと、そして自身の電池が発表されてからわずか数年で電気自動車の生産が中止されたことに失望した。彼は、1900年代初頭に主流だった電気自動車（ガソリン車や蒸気機関車がそれに続いた）に最適な電池として、この電池を開発した^{[ 23 ]} 。エジソンの電池は、当時使用されていた鉛蓄電池よりもエネルギー密度が著しく高く、充電時間も半分で済んだが、低温での性能が悪く、価格も高かった。

ユングナーの研究は、ニッケルカドミウム電池が米国で生産されるようになった1940年代まで、米国ではほとんど知られていなかった。第二次世界大戦中のドイツのV-2ロケットでは、50ボルトのニッケル鉄電池が主要な直流電源として使用され、さらに2つの16ボルト電池が4つのジャイロスコープに電力を供給していた（タービン発電機は磁気増幅器駆動のサーボ機構に交流を供給していた）。小型版はV-1飛行爆弾にも使用された（1946年のバックファイア作戦の設計図を参照）。

エジソンの電池は、ニュージャージー州ウェストオレンジにあるエジソン蓄電池会社によって、1903年頃から1972年頃まで利益を上げて製造されていた。1972年、同社はエキサイド・バッテリー社に買収され、1975年に製造中止となった。この電池は、鉄道信号、フォークリフト、非常用電源など、幅広い用途で利用されていた。

ニッケル鉄電池は5～1250Ahの容量で製造された。多くの元の製造業者はもはやニッケル鉄電池を製造していないが^{[ 7 ]}、いくつかの国では新しい企業による製造が始まっている。

電池プレートの活物質は、支持および導電性のフレームまたはグリッドにしっかりと取り付けられた、充填された複数のチューブまたはポケットに収められています。支持部はチューブと良好な電気的接触を保っています。グリッドは、薄い鋼板から打ち抜かれた軽量の骨組みフレームで、上部に補強幅があります。グリッドおよびその他のすべての内部金属表面は、腐食を防ぐためにニッケルメッキされています。要素は電解液で覆われていなければなりません。乾燥すると、負極板が酸化し、非常に長い充電時間が必要になります。^{[ 19 ]}

正極板の活性物質は水酸化ニッケルの一種である。チューブ保持具は、長さ約4インチ、直径1/4インチと1/8インチの、細かく穴が開けられニッケルメッキされた薄い鋼リボンでできている。リボンは重ね継ぎで螺旋状に巻かれ、チューブは約1/2インチ間隔で小さな鋼リングで補強されている。これらのチューブには、水酸化ニッケルと純粋なフレークニッケルが薄い層で交互に充填され（チューブ1本あたりそれぞれ約350層）、しっかりと詰め込まれる。フレークニッケルの目的は、水酸化ニッケルとチューブとの良好な接触を確保し、導電性を提供することである。充填され閉じられたチューブは、グリッドに垂直に取り付けられる。^{[ 19 ]}

ネガプレートの活性材料は酸化鉄です。保持ポケットは、薄く細かい穴が開けられたニッケルメッキ鋼でできており、長方形で、幅1/2インチ、長さ3インチ、最大厚さ1/8インチです。微粉末状の酸化鉄がこれらのポケットにしっかりと詰め込まれ、その後グリッドに取り付けられます。取り付け後、ポケットはプレスされ、グリッドと密着するように押し付けられます。これにより、ポケットの側面が波状になり、ポケットと活性材料との間にバネのような接触が生じます。^{[ 19 ]}

充電/放電は、一方の電極から他方の電極（一方のプレート群から他方のプレート群）への酸素の移動を伴う。そのため、このタイプの電池は酸素リフト電池と呼ばれることもある。充電された電池では、正極板の活物質は過酸化状態にあり、負極板の活物質はスポンジ状または還元状態にある。^{[ 19 ]}

セルの通常の容量が不十分な場合は、電解液の温度が 115˚ F / 46˚ C を超えない限り、短時間の高レート充電を行うことができます。これらの短時間の充電は非常に効率的で、損傷を引き起こしません。通常の充電レート (C と定義され、電流はバッテリーの公称容量を 1 時間で割った値に等しい) の 3 倍までのレートを 30 分間使用できます。^{[ 19 ]}

ニッケル鉄電池の完全充電には、通常の充電速度で7時間かかります。実際の使用においては、充電量は前回の放電量によって決まります。例えば、半分放電した電池であれば、通常の充電速度で3.5時間充電できます。過充電は電流の無駄遣いとなり、電解液中の水分の急速な蒸発を引き起こします。

充電速度を徐々に低下させる場合、充電中はセル端子間の平均電圧を1.67ボルトに維持する必要があります。充電開始時の電流値は電気抵抗に応じて変化します。抵抗がない場合、開始時の充電速度は通常の約2倍、終了時の充電速度は通常の約40%になります。^{[ 19 ]}

放電中は正極板が還元（「脱酸素化」）され、鉄に対する自然な親和性を持つ酸素が負極板に移動し、負極板を酸化します。通常の25%増までの任意のレートで連続放電することは許容され、短時間であれば通常の6倍までのレートで放電することも可能です。放電レートがこの値を超えると、異常な電圧降下が発生します。^{[ 19 ]}

電解質は、電池の機能を果たすために化学結合を起こさず、コンベヤーとして機能します。比重は、蒸発と温度変化を除いて、充電および放電中に影響を受けません。比重のかなりの変動は許容され、電池の効率にのみ影響します。^{[ 19 ]}

ニッケル鉄電池には、鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池に含まれる鉛やカドミウムが含まれておらず、これらの電池は危険物として取り扱う必要がある。

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