鉛バッテリーの特性

1859年にフランス人医師により発明された鉛バッテリー。その後20世紀に入り、自動車社会の発達に欠かせないものとなりました。

大容量で充放電可能な鉛バッテリーは、車社会に大きく寄与しただけでなく、その他いろいろな用途にも活躍の場を広げてきました。

100年以上の間、多少の進化はあったものの、大きな進化をしていない現在も、多くの電気供給源として使用されている鉛バッテリーというものはどのような電源なのでしょうか!?

鉛バッテリーと聞いて知らない人は少ないと思います。

しかし、その特性は?使用方法は?留意点は?などを知っていらっしゃる方は少ないのかも知れません。

 

弊社はリチウムバッテリーを販売していますが、鉛バッテリーは販売していません。しかし、リチウムバッテリーが良いもので、鉛バッテリーがダメというわけではありません。

いろいろ電池の特性を知り、バッテリーと上手に付き合うことで長寿命に繋がればと思っています。

鉛バッテリーの仕組み

 

 

鉛バッテリーの構造は、その名の通り鉛合金によって構成され、6つの部屋に分かれています。その部屋には+極板、-極板があり、その極板を接触しショートを起こさせないように、セパレーターが交互に組み合わされています。また電解液(希硫酸)が入っています。

 

鉛自体は柔らかく、強度を高め電気特性を帯びるために、少量の他の金属が添加される。

その金属は、アンチモン、スズ、カルシウム、セレンです。

アンチモとスズを添加した場合、耐深放電サイクルが改善されますが、電解液の消費量を増大させます。

またカルシウムを使用した場合は、自己放電は改善されますが、正極材の酸化を増幅させてしまいます。

現代の鉛バッテリーは、アンチモン、スズ、カドミウム、ヒ素系を添加され作られています。

 

 

 

鉛バッテリーの進化(密封式バッテリー)

■ジェル化バッテリーの登場

電解液をジェル化しバッテリーをシール化した密封バッテリーが登場します。

■AGMバッテリーの登場

プレート間に電解液を吸収させたガラスマットを置くことで、極板と電解液が接触する面積が一定化されることにより、長寿命や内部抵抗低下等のメリットを生み出しています。

 

用途別鉛バッテリーの種類と特徴

スターターバッテリー

スターターバッテリーは瞬発的な高出力を必要とする電源です。

ディープサイクルバッテリーのように深電させて使用するには不向きです。

容量(Ah)とCCA(コールドクランキングアンペアー)で定格されています。

リードプレートの表面積を大きくすることで、内部抵抗を減らすため多くのプレートを追加しています。

ディープサイクルバッテリー

高い充放電サイクルが要求されるように設計されている。

スターターバッテリーと比較すると、リードプレートの厚さが太く作られています。これが長い充電サイクルに寄与している。

ディープサイクルバッテリーのリードプレート太さは、1.8〜2.8mmでフォークリフトのバッテリーになると、6mmを超えるバッテリーもあります。

ちなみにスターターバッテリーのリードプレートの太さは、1mm程度です。

 


深電率 スターターバッテリー ディープサイクルバッテリー
 100% 12-15サイクル  150-200サイクル
50% 100-120サイクル 400-500サイクル
30% 130-150サイクル 1000回以上

鉛バッテリーの充放電

充電について

最大充電電圧:14.7V(2.45V/セル)

充電電流:バッテリー容量の10%〜30%の電流値

     (例)バッテリー容量 10Ah→3A(最大)

均等充電:1年に3〜4回程度高い電圧(15V)にて充電する事により各セルのバランスを整える事ができます。

しかし、2.4V以上の電圧での充電は、正極版を腐食させて寿命を早めますので、均等充電を頻繁に行う行為も寿命を早めてしまいます。

 

温度による充電電圧の変化

1℃上昇 3mVの電圧を低くして充電電圧を設定。

(例)25℃ 2.3V(1セル)→35℃ 2.27V(1セル)

       ↓

   15℃ 2.33V(1セル)

 

温度が高い場合は通常よりも低い充電電圧設定が必要となり、温度が低い場合は、高い充電電圧設定が必要となります。

 

時折、以上に高い充電電圧でを設定している方がいられますが、20℃で2.415V(1セル)の充電電圧でガスの発生する可能性が高まります。

 

最近の夏場の異常な高温時のバッテリー充電は、温度も気にしながら充電する事も必要となってきています。

 

 

放電について

低電圧:10.5V以下(1.75V/セル)に電圧が下がった場合は、負極プレートに酸性化の影響を受けてしまう。バッテリーの性能低下を受ける。

 

通常電圧  12.0V / 2.0V(1セル)
放電負荷  10.5V / 1.75V(1セル
 放電最大負荷   8.4V / 1.4V(1セル)

 

鉛バッテリー放電深度

 

放電深度 電圧
0% 13.0V以上
20% 12.5V〜12.3V
40% 12.3V〜12.0V
60% 12.0V〜11.5V
80% 11.5V〜10.5V
98%  

鉛バッテリー充放電サイクル表

 

これは、ボイジャーバッテリー M31MF(115Ah)のバッテリーを検査器で測定したグラフです。

 

これは、充放電を3回繰り返しているバッテリーで、時折充電器で充電し管理しているバッテリーです。

 

定電流(CC)・定電圧(CV)の充電と定電流(CC)の放電で容量を測定する工程です。

少し高めの14.6Vで充電するのは、負極の酸化を改善と、各セルのバランス充電を目的で行っています。

 

10000mAh(10Ah)で放電していきますが、115000mAh(115Ah)のバッテリーですので、10時間(600分)以上の時間がかかる予測でしたが、約9.7時間(581分)で終了しました。

測定した容量も96825mAhで、18175mAh(18Ah)の低下がみられます。

 

これは、バッテリー放電深度80%を繰り返しているバッテリーです。深い放電を繰り返す使用方法は、鉛バッテリーの場合、早く容量の低下が発生してしまいます。

 

ご使用するバッテリーの使い方で、その寿命は大きく変わってきます。

 

●放電深度を50%までにして使用する。

●時折高い充電電圧(14.6V程度)で充電する。

 (頻繁に行うのは禁物。また15Vを超える充電も危険。)

●温度での充電電圧を考える。

●定電圧・定電流充電を行う。(長い充電時間が必要です。)

 

 

鉛バッテリー消費電力の特性

 

このグラフは、前のボイジャーバッテリーの放電性質を電力でまとめたグラフです。(----部分)

 

11.4V過ぎから大きな電力降下が始まります。

11.4Vは放電深度率が60%ほどに達した事を意味します。

バッテリーの残量が半分を切ると、電力低下スピードが増していきます。

 

10V台に突入すると、電力降下はスピードを増します。

10Vというのは放電深度が80%以上に達した事を意味します。

殆ど力が残っていないバッテリーは、著しく電力を降下させます。

 

鉛バッテリーをの長寿命を考えて使用する場合、11.8Vぐらいまでの使用で停止してバッテリー交換する事で、長い充放電サイクルを確保する事ができます。

11.8Vは、このボイジャーM31MF(115Ah/実容量97Ah)で、10000mAhの放電電流で使用した場合は、約350分(5.8時間)で到達する事になります。

 

バッテリーというものは、それがリチウムバッテリーにしろ、鉛バッテリーにしろ、放電深度が高い使用方法は、バッテリーの性能低下につながってしまいます。

特に鉛バッテリーは、サルフェーション(負極の酸化)を招き、サルフェーションを溶かすために高い電圧で充電を行うことで、正極の酸化を招きます。

 

これら特性を知ることで、上手にバッテリーと付き合い、長いサイクルで使用できるようにしていきましょう。