ニッケル・鉄電池

ニッケル鉄電池：長寿命で堅牢な蓄電デバイス

ニッケル鉄電池（Ni-Fe電池）は、正極に水酸化ニッケル、負極に鉄、電解液に水酸化カリウムを用いた二次電池です。活物質は、ニッケルメッキされた鋼管やポケットに収められています。この電池の最大の特徴は、その高い耐久性です。過充電や過放電、短絡といった過酷な使用条件下でも、非常に長い寿命を維持できる強靭さを持ちます。そのため、長期間にわたる安定した電力供給が求められるバックアップ電源として、20年以上にわたる継続使用実績があります。

優れた耐久性と幅広い用途

ニッケル鉄電池は、振動や高温といった物理的ストレスへの耐性も高く、ヨーロッパの鉱山での長年の使用実績があります。近年では、重量が問題にならない風力発電や太陽光発電システムへの応用が注目されています。また、鉄道車両への搭載も進んでおり、ロンドン地下鉄やニューヨーク市地下鉄の一部車両にも採用されています。さらに、近年はオフグリッド用途での需要が高まっており、日々の充電が適切な技術となるアプリケーションにおいて人気を取り戻しています。

将来的な応用としては、燃料電池自動車や水素製造における蓄電デバイスとしての研究開発が進められています。「バトライザー」と呼ばれるシステムでは、従来の充放電に加え、完全充電時に水素を発生させることも可能です。

ニッケル鉄電池の長寿命の秘密

ニッケル鉄電池の優れた耐久性は、電解液中の反応物質の低い溶解度によるものです。充電過程での金属鉄の生成は、水酸化鉄の低い溶解度によって遅いため、鉄の結晶がゆっくりと形成され、電極を保護する役割を果たします。ただし、この特性は高速充放電を制限する要因にもなります。ゆっくりとした充放電が最適であり、定電圧電源での充電は熱暴走のリスクがあるため避けるべきです。

電気化学的特性

ニッケル鉄電池の電気化学反応は、以下の半反応式で表されます。

正極：Ni₂O₃ + H₂O + 2e⁻ ↔ 2NiO + 2OH⁻
負極：Fe + 2OH⁻ ↔ Fe(OH)₂ + 2e⁻

（放電は左から右、充電は右から左）

開回路電圧は約1.4ボルトで、放電中は1.2ボルトに低下します。電解液は水酸化カリウムと水酸化リチウムの混合物が用いられ、充放電によって消費されないため、鉛蓄電池と異なり、電解液の比重は充電状態を示しません。充電には1セルあたり1.8ボルト以上の電圧が必要で、水酸化リチウムの添加は電池性能の向上に寄与します。等化充電電圧は1.65ボルトです。

歴史と発展

ニッケル鉄電池の開発は、1899年にWaldemar Jungnerによるニッケルカドミウム電池の発明に遡ります。Jungnerは様々な比率でカドミウムを鉄に置き換える実験を行い、ニッケル鉄電池の優れた耐久性を確認しました。しかし、コストや充電効率の問題から、ニッケルカドミウム電池が主流となりました。

1901年には、Thomas Edisonがアメリカでニッケル鉄電池の特許を取得し、電気自動車の電源として商業化しました。Edisonはニッケル鉄電池が鉛蓄電池より優れていると主張していましたが、電気自動車の衰退とともに、ニッケル鉄電池も一時的に注目度を落としました。

第二次世界大戦中には、ドイツのV2ロケットの電源として採用されるなど、軍事用途でも重要な役割を果たしました。戦後も、鉄道信号、フォークリフト、待機電力用途などで広く使用されました。

現在、多くのメーカーがニッケル鉄電池の製造から撤退していますが、近年、いくつかの国で新たな生産が始まっています。

電池構造

ニッケル鉄電池の電極板は、多数の充填された管やポケットに活物質を収め、支持・導電フレームにしっかりと固定されています。正極の活物質は水酸化ニッケル、負極は酸化鉄です。これらの活物質は、ニッケルメッキされた鋼管やポケットに充填され、電解液で覆われた状態を維持することが重要です。

充電と放電

ニッケル鉄電池の充放電は、電極間の酸素移動を伴います。充電時には正極は過酸化状態、負極は還元状態となります。充電時間は通常7時間ですが、放電量に応じて短縮できます。過充電は電解液の蒸発を招くため注意が必要です。放電は様々な速度で行うことができますが、過度の高速放電は電圧降下に繋がるため、注意が必要です。

電解液と環境への影響

電解液は充放電による影響を受けにくく、比重の変化は電池効率にのみ影響します。また、ニッケル鉄電池は鉛やカドミウムを含まないため、環境への負荷が低いという特徴があります。

もう一度検索