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 1901 年にトーマス・エジソンによって開発された「Exide」ブランドで 1972 年から 1975 年にかけて製造されたニッケル鉄電池。 | |
| 比エネルギー | 19～25 [1] Wh/kg |
|---|---|
| エネルギー密度 | 30 [2] Wh /リットル |
| 比出力 | 100 [3]ワット/キログラム |
| 充放電効率 | <65% [4] |
| エネルギー/消費者物価 | 1.5 [2] – 6.6 [3] Wh/米ドル |
| 自己放電率 | 20% [2] [3] – 30% [3] /月 |
| 時間耐久性 | 30 [4] – 50歳[2] [5] |
| サイクル耐久性 | 深放電を繰り返しても寿命は大幅に短くならない。[2] [4] |
| 公称セル電圧 | 1.2V [3] |
| 充電温度間隔 | 最低 −40 °C – 最高 46 °C [6] |
ニッケル鉄電池（NiFe電池）は、ニッケル（III）酸化物-水酸化物の正極板と鉄の負極板、および水酸化カリウムの電解質を備えた充電式電池です。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。これは非常に頑丈な電池で、酷使（過充電、過放電、短絡）に耐え、そのような取り扱いをしても非常に長い寿命を維持できます。[7] 連続充電が可能で20年以上使用できるバックアップ状況で使用されることがよくあります。比エネルギーが低く、電荷保持率が低く、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っています。[8]
用途
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）が挙げられます。
この技術は、毎日充電できるオフグリッドアプリケーションで再び人気を集めており、適切な技術となっている。[11] [12] [13]
ニッケル鉄電池は、燃料電池自動車や貯蔵用の水素製造のための電池と電気分解を組み合わせたものとして使用することが研究されている。これらの「バトライザー」は従来の電池と同様に充電および放電することができ、完全に充電されると水素を生成する。[14] [15] [16]
耐久性
これらの電池が頻繁な充放電に耐えられるのは、電解液中の反応物の溶解度が低いためです。充電中の金属鉄の形成は、水酸化鉄の溶解度が低いため、ゆっくりと行われます。鉄の結晶の形成が遅いと電極が保護されますが、高レート性能も制限されます。これらのセルはゆっくりと充電され、ゆっくりと放電することしかできません。[7]ニッケル-鉄セルは、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ないでください。ガス発生が始まるとセルの内部電圧が低下し、温度が上昇して消費電流が増加し、さらにガス発生と温度が上昇します。
電気化学
正極板における黒色酸化ニッケル(III)水酸化物NiO(OH)から緑色水酸化ニッケル(II) Ni(OH) 2への半電池反応 ：
そして負極板では：
（放電は左から右に読み、充電は右から左に読みます。）[17]
開放電圧は1.4ボルトで、放電時には1.2ボルトに低下する。[7]水酸化カリウムと水酸化リチウムの電解質混合物は充電や放電で消費されないため、鉛蓄電池とは異なり、電解質の比重は充電状態を示しません。[7] NiFe電池の充電に必要な電圧は、セルあたり1.6ボルト以上です。[18]水酸化リチウムを含めると、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。
歴史
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ました。ユングナーは、カドミウムを鉄に様々な割合で置き換えて実験し、その中には100%鉄も含まれていました。ユングナーは、ニッケルカドミウム化学に対する主な利点はコストであることを発見しましたが、充電反応の効率が低く、水素（ガス）の発生が顕著だったため、ニッケル-鉄技術は不十分であることが判明し、放棄されました。ユングナーは、鉄バージョンの電池で複数の特許を取得しました（スウェーデン特許番号8.558 [ permanent dead link ] /1897、10.177/1899、11.132/1899、11.487/1899、およびドイツ特許番号110.210 /1899）。さらに、彼はニッカド電池の特許を1件取得しました：スウェーデン特許番号15.567/1899。[19]
1901年、トーマス・エジソンは米国でニッケル鉄の特許を取得し商品化し[20] 、デトロイト・エレクトリックやベイカー・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た。エジソンはニッケル鉄の設計が「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」と主張した[21] 。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、いくつかの特許を保有していた。[19]
エジソンは、自分の開発した電池が内燃機関の始動に採用されず、電池の発表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、この電池を、1900年代初頭に好まれた交通手段であった電気自動車（ガソリンと蒸気に続く）に最適な電池として開発した[22] 。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大幅に高く、半分の時間で充電できたが、低温では性能が悪く、より高価だった。
ユングナーの研究は、1940 年代にニッケル カドミウム電池の生産が開始されるまで、米国ではほとんど知られていませんでした。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な直流電源でした。また、4 つのジャイロスコープに電力を供給する 2 つの 16 ボルト電池も使用されました(タービン駆動の発電機が磁気増幅器駆動のサーボ機構に交流を供給しました)。小型版はV-1 飛行爆弾に使用されました (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、1903年から1972年頃まで、ニュージャージー州ウェストオレンジのエジソン・ストレージ・バッテリー・カンパニーによって利益を上げて製造されていました。 1972年にこの電池会社はエクサイド・バッテリー・コーポレーションに売却され、同社は1975年にこの製品の生産を中止しました。この電池は、鉄道信号、フォークリフト、および予備電源の用途に広く使用されました。
ニッケル鉄電池は5～1250Ahの容量で製造されました。元のメーカーの多くは現在ニッケル鉄電池を製造していませんが[7] 、いくつかの国で新しい企業による生産が開始されています。
オリジナルのエジソン電池のプレートデザイン
バッテリープレートの活性物質は、多数の充填チューブまたはポケットに収められており、支持および伝導フレームまたはグリッドにしっかりと取り付けられています。サポート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、上部に補強幅のある薄い鋼板から打ち抜かれた軽量のスケルトンフレームです。グリッドと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。要素は電解質で覆われていなければなりません。乾燥すると、負極プレートが酸化し、非常に長い充電が必要になります。[18]
正極板の活物質はニッケル水和物の一種である。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 インチの細い鋼帯でできており、細かく穴があけられニッケルメッキされている。リボンは螺旋状に巻かれ、重ね合わせた継ぎ目があり、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、ニッケル水和物と純粋な薄片ニッケルが交互に薄い層 (チューブ 1 本あたりそれぞれ約 350 層) で充填され、しっかりと詰め込まれている。薄片ニッケルの目的は、ニッケル水和物とチューブとの接触を良くし、それによって導電性を提供することである。チューブは充填され閉じられた後、グリッドに垂直に取り付けられる。[18]
負極板の活物質は酸化鉄です。保持ポケットは薄く、細かく穴があいたニッケルメッキ鋼で作られており、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押し込まれ、その後グリッドに取り付けられます。取り付け後、押圧され、グリッドと密着します。これにより、ポケットの側面が波型になり、ポケットと活物質がスプリング接触します。[18]
充電
充電/放電は、一方の電極から他方の電極（一方の電極群から他方の電極群）への酸素の移動を伴う。そのため、このタイプのセルは酸素リフトセルと呼ばれることもある。充電されたセルでは、正極板の活性物質は超酸化され、負極板の活性物質はスポンジ状または還元状態にある。[18]
セルの通常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、短時間の高速充電を行うことができます。これらの短時間充電は非常に効率的で、傷害を引き起こすことはありません。通常の充電速度の 3 倍までの速度 (C として定義され、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) を 30 分間使用できます。[18]
NiFe セルの完全充電には、通常のセル速度で 7 時間かかります。使用中は、充電量は前回の放電の程度によって決まります。たとえば、半分放電したバッテリーでは、通常速度で 3.5 時間充電できます。過充電は電流を無駄にし、電解液内の水分が急速に蒸発します。
徐々に充電速度を遅くする場合、充電中はセル端子間の電圧を平均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、充電開始速度は通常の約2倍、充電終了速度は通常の約40%になります。[18]
退院
放電すると、正極板は還元（「脱酸素化」）されます。鉄に対する自然な親和性を持つ酸素は負極板に移動し、負極板を酸化します。通常の25％を超える速度で継続的に放電することも、通常の6倍までの短時間の放電も許可されています。放電率がこの値を超えると、異常な電圧降下が発生します。[18]
電解質
電解質はセルの機能を果たすために化学的に結合せず、コンベアとして機能します。その比重は、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。比重の大幅な変化は許容され、バッテリー効率にのみ影響します。[18]
環境への影響
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、危険物として取り扱う必要があります。ニッケル鉄電池は部品に酸が含まれていないため、流出の心配はありません。[23]
参照
参考文献
- ^ 「Iron EdisonによるNRELテストによるエネルギー密度」。 2016年10月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2014年3月25日閲覧。
- ^ abcde BeUtilityFree による中国製ニッケル鉄電池の説明
- ^ abcde mpoweruk.com: 蓄電池とバッテリーの比較 (pdf)
- ^ abc Mpower: ニッケル鉄電池
- ^ 「ニッケル鉄電池に関するよくある質問」BeUtilityFree
- ^ Web アーカイブ バックアップ: エジソン バッテリー ブックレット エジソン バッテリーのオリジナル取扱説明書
- ^ abcde David Linden、Thomas B. Reddy（編）『バッテリーハンドブック第3版』、McGraw-Hill、ニューヨーク、2002年ISBN 0-07-135978-8、第25章
- ^ Ian Soutar (2010 年 7 月 1 日). 「ニッケル鉄電池協会ホームページ」 . 2011 年10 月 30 日閲覧。
- ^ 「自律型ハイブリッド機関車の体系的設計 | EUrailmag」。eurailmag.com。2013年12月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年4月17日閲覧。
- ^ 「マグマ#10プロジェクト」azrymuseum.org。2012年5月15日。 2013年4月17日閲覧。
- ^ マザーアースニュース第62号 – 1980年3月/4月
- ^ 「ニッケル鉄電池情報」。
- ^ ホームパワーマガジン第80号2000年12月/2001年1月
- ^ FM Mulder 他: Ni-Fe 電池と電解装置を統合したバトライザーによる効率的な電力貯蔵。エネルギーと環境科学。2017、doi :10.1039/C6EE02923J
- ^ Véronique Amstutz 他:デュアル回路レドックスフロー電池による再生可能水素生成。エネルギーと環境科学。2014、2350-2358、doi :10.1039/C4EE00098F
- ^ 「スタンフォード大学の科学者が超高速ニッケル鉄電池を開発 | スタンフォードニュースリリース」2012年6月26日。2016年12月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年12月25日閲覧。
- ^ Keusch, Peter. 「電気化学エジソン電池（鉄ニッケル電池） - モデル」。2012年2月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。2022年5月18日閲覧。
- ^ abcdefghi 「蓄電池実務マニュアル」（PDF）。蓄電池委員会。エジソン照明会社協会。 2012年7月4日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2012年7月5日閲覧。
- ^ ab ジャーナルオブパワーソース、12（1984）。pp 177–192。
- ^ Kennelly, Arthur E. (1901). 「The New Edison Storage Battery」. Scientific American . 51 (1326supp): 21260–21261. doi :10.1038/scientificamerican06011901-21260supp . 2022年3月20日閲覧。
- ^ デズモンド、ケビン (2016)。バッテリー技術の革新者: 影響力のある電気化学者 93 人のプロフィール。マクファーランド & Co. p. 65。ISBN 9780786499335。
- ^ 「サンフランシスコ・ニュースコール・ブレティン新聞写真アーカイブガイド、1915年頃～1965年」。oac.cdlib.org 。 2021年11月4日閲覧。
ワード・ハリスはトーマス・エジソンがバッテリーを製造した電気自動車の座席に座っている。
- ^ 「ニッケル鉄電池」パーマカルチャー研究所2019年12月2日2022年12月3日閲覧。