鉛蓄電池の均等充電
均等充電の目的は、鉛蓄電池の充電電圧をガス発生レベルにして、変換されなかった硫酸鉛をNAMとPAMでそれぞれ鉛と二酸化鉛に充電することです。
均等充電。バッテリーの均等化
鉛蓄電池の適切なメンテナンスは、バッテリーの寿命を延ばすのに役立ちます。 均等に充電することは、このメンテナンス手順の中でも最も重要なことのひとつです。
均等料金の定義
このようなタイプのバッテリーの場合、均等充電の意図は、12Vバッテリーの充電電圧をガスレベルにして、変換されなかった硫酸鉛をすべてNAMとPAMでそれぞれ鉛と二酸化鉛に充電することにある。 自由で大量のガスが発生すると、充電されていない硫酸イオンがすべて電解質に入り、酸濃度が上がります。
ヴァイナルはその名著の中で、セルの電圧とガス発生量の関係を示している。
浸水したセルの充電時のガスレベルとセル電圧
(Credits:Vinal, G.W., Storage Batteries, John Wiley & Sons, New York, 1954, page 262.）
| セル電圧 (V) | ガスのレベル | 蒸発したガスの組成 H 2 パーセント | 蒸発したガスの組成 O 2 パーセント |
|---|---|---|---|
| 2.2 | ガスが出ない | - | - |
| 2.3 | 軽度 | 52 | 47 |
| 2.4 | ノーマル | 60 | 38 |
| 2.5 | コピウス | 67 | 33 |
また、工場出荷時に初期充電されていない電池は、さらに均等に充電する必要があります。 このことは、例えばインバータ用電池などを試運転して数ヶ月以内に電解液の比重が大きくなっていることからもわかります。 通常、出荷時の比重値は1.240となります。 メーカーによっては、この値に達した時点で充電を停止し、完全に充電されたと判断する場合もあります。
実際、最初の充電をさらに続けていれば、かなりの比重の上昇が見られたはずだ。 このような初期充電の様子は、プレートに未充電の硫酸鉛が存在することを示しています。 この量の硫酸鉛は、さらに充電する過程で電解液の比重を高めるのに役立った。
イコライジングチャージの効果は？
均等充電は、バッテリーの設計寿命を実現するのに役立ち、充電不足による早期故障を防ぎます。定期的に均等化充電を行っているバッテリーは、そうでないバッテリーよりも長持ちします。これは、フォークリフト用バッテリー、自動車用バッテリー、インバータ用バッテリーの場合に特に当てはまります。 フォークリフト用 バッテリーに均等充電を行うことで、フォークリフト用バッテリーの性能が向上することがわかりました。 バッテリーの性能を向上させるには、充電の均等化制御によるバッテリーの長寿命化が確立されています。
国によっては、UPSや定置用電源のバッテリーが1年に数分でも停電を経験しないこともある。 このような場合、電池メーカーはお客様に数分間、主電源を切るようにアドバイスしています。 これにより、「フロートパッシベーション」を避けることができます。
バッテリーの均等充電とは
以上のような点がVRバッテリーにも当てはまります。 唯一の違いは、均等化充電の充電電圧が低いことです。 均等充電の際には、14.4V（12Vバッテリーの場合）を超えないように充電してください。 ガス化率は
バルブレギュレーテッドセルの充電時のガスレベルとセルフロート電圧
均等化された充電電圧
| セル電圧（V） | ガスのレベル | 組換え効率(%) | ガス化率※1 | 相対的なガス化率 |
|---|---|---|---|---|
| 2.25～2.3 | ガスの発生はごくわずか | ~ 99.87 | ~ 0.0185 | ~ 1 |
| 2.4 | 若干のガス化 | ~ 99.74 | ~ 0.037 | ~ 2 |
| 2.5 | ガス発生 | ~ 97.4 | ~ 0.37 | ~ 20 |
*cc/h/Ah/cell from: Credits: C&D Technologies :Technical Bulletin 41-6739, 2012.より)。1立方フィート＝28317cc（＝（12*2.54）3＝28316.85）。
均等充電 - VRLAバッテリーと浸水型鉛蓄電池の違いは？
この2つの鉛酸電池の基本的な化学反応は同じです。 放電反応は似ていますが、充電反応はその中間段階で違いがあります。
浸水式鉛蓄電池の充電終了間際に発生するガス（水素と酸素）を排出します。 VRセルの正極板で発生した酸素ガスは、ガス状の媒体では拡散係数が大きいため、負極板に移動しやすく、鉛を酸化させやすい。 これは、VR細胞内での高速反応です。 浸水した細胞では、拡散係数が低いため、このようなガスの移動はできない。 VRセルでもAGMが完全に飽和していればフラッデッドセルと同じような状態になり、水の電気分解で一部の水が失われて電解液が飢餓状態になって初めて酸素の再結合反応が始まります。
バルブ制御式セルでは、充電中に硫酸鉛が生成され、水素の発生が抑制されます。 この硫酸鉛は、負極板の電位をより正の値にするので、水素発生が非常に少なくなります。 また、水素の過電圧が高くなるネガティブグリッドには、特殊な合金を使用しています。
均等な充電VRLAバッテリーの構造上の違いは以下の通りです。
- VRLAバッテリーでは、電解液の量が少なくなります。 これは、PAMから発生した酸素が、AGMセパレーターの不飽和細孔を介してNAMに接触するための通路を確保するためです。 電解液の体積が減ることを補うために、VR電池ではより密度の高い酸を使用しています。 これにより、低価格帯のキャパシティの減少分も補うことができます。
-
VRLAバッテリーでは、素子が高圧縮されています。 この点は、電池の寿命を延ばすために最も重要な役割を果たします。 プレートセパレーターとコンテナの壁の圧縮は、デザインに不可欠な要素です。 これにより、プレートとセパレーター間の電解質の拡散が良好になります。 また、積極的な活物質の膨張とそれに伴う容量の減少が抑えられるため、寿命も長くなります。
- VRLAバッテリーは、各セルに一方通行の再シール弁があるか、あるいは数個のセルに共通の弁がある場合があります（特に小容量のセルの場合）。 この多機能バルブは、以下のような仕組みになっています。
i. 誤って大気中の空気（酸素）が混入するのを防ぐ。
ii. PAMからNAMへの圧力支援型酸素輸送を助ける
iii. 乱暴な充電や充電器の故障などにより、電池内の圧力が過度に上昇した場合の爆発を防止します。
- VRLAバッテリーが正常に機能するためには、内部の酸素サイクルが重要であり、そのためには、蓋と蓋のシール、鍋と鍋のシールといった漏れない構造が必要です。 内部酸素サイクルは、水素の発生を抑え、水の損失を減らすのに役立ちます。
内部の酸素サイクル
VRLAバッテリーの充電中。
正極板では、O2ガスが発生し、陽子と電子が生成されます。
2H2O → 4H+ +O2 ↑ + 4e- ……… Eq.1
正極板上で水が電気分解されて発生した酸素ガス、水素イオン、電子は、AGMセパレーターの空孔、ガス充填孔、電解液流路（ゲル化したVR電池の場合はゲル化した電解液マトリックスの微細な亀裂）を通過して負極板に到達します。 このガスがNAMの鉛と結合してPbOとなり、還元された酸素が水素イオンと結合して水となります。 この酸化物は硫酸イオンと化学的に結合して硫酸鉛となる。
2Pb + O2 → 2PbO
2PbO + 2H2SO4→ 2PbSO4+ 2H2O
——————————————————
2Pb + O2 + 2H2SO4→ 2PbSO4+ 2H2O + Heat ……… Eq.2
—————————————————–
硫酸は、正極板が充電されると、水の分解によって生じたプロトン（水素イオン）と電子が反応して電気化学的に生成される。
2PbSO4+ 4H+ +4e- →2Pb + 2H2SO4……… Eq.3
充電中にNAMがPbSO4に変化すると、負極板の電位が正になります（放電の場合と同様）。 これは、水素発生反応を妨げるのに役立ちます。 ごく微量の水素ガスが発生しますが、一方通行のバルブで水素を大気中に排出することで、ジャー内の圧力が危険なレベルにならないようにし、バッテリーの膨らみなどの不具合を防ぎます。
最後の反応は、細胞の化学的バランスを回復させる。 式1）〜（式3）の反応の総和がゼロになると、充電時の電気エネルギーは化学エネルギーではなく熱に変換される[Ref.R.F.Nelson, Proc. 4th Int Lead Acid Battery Seminar, 25-27 Apr 1990, San Francisco, USA, ILZRO, Inc,1990, pp.31-60]。
VRLAセルの最大の利点は、メンテナンスの際に水を加える必要がないことです。 また、推奨フロート電圧（2.25〜2.3V/セル）では、ほぼ100%の再結合が行われるため、動作中に発生するガスの量はごくわずかです。 また、この電池を移動する際には、輸送上の制限がありません。
一次電池と二次電池
電池とは、酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気化学的な動力源として機能する電気化学デバイスと定義されます。 しかし、それは永遠の力の源ではない。 電池は、エネルギーを生み出す反応を維持するための十分な活物質があるまで、電力を供給します。 バッテリーの電圧レベルが、システムの化学的性質によって定義された一定の低いレベルに達すると、反応は逆になり、バッテリーには直流電流が流れます。 このように、放電した電池に放電とは逆方向の直流を供給して、放電反応を逆転させる行為を「充電」という。
これにより、放電生成物から元の活物質が再生され、また、システムの化学的性質によって定義されるバッテリー電圧をより高い値まで高めることができます。 この記述は、二次電池や蓄電池と呼ばれる電池に適用されます。 電気トーチや腕時計に使われているような一次電池には関係ありません。 放電時に電池の電圧が下がるのは、活物質の枯渇などの理由がある。
電池の独立した単位を「セル」と呼ぶ。 バッテリーは、2つ以上のセルを複数の異なる方法で接続し、設計された電圧や容量、または合計のkWh定格を達成するためのものです。 一般的にモノブロックバッテリーは、自動車や小容量のVRLA（バルブ式鉛蓄電池）、チューブラーバッテリー（12V/200Ahまで）に採用されており、それ以上の容量の場合は、単セルを直列または直並列に組み合わせて必要なkWhの定格値を得るために使用されます。
48V/1500Ah（または72kWh）定格の鉛蓄電池は、2V/1500Ahの容量のセルを単純に直列に24個接続したものと、2V/750Ahの容量のセルを直並列に48個接続したものがあります。 24個のセルを直列に接続して、48V/750Ah（または36kWh）のバッテリーを作るのです。 このような48V/750電池をもう1台並列に接続して、48V/1500Ah（72kWh）の電池とする。
また、リチウムイオン（Li-ion）電気自動車（EV）用電池の例。
EVメーカーのテスラでは、電池パックの大きさにもよりますが、1パックあたり約6,000〜8,000個のセルを使用し、各セルの容量は3.6V/3.1〜3.4Ahで、70または90kWhの電池パックを構築しています。
70kWhのテスラEV用バッテリーには、3.7V/3.4Ahの18650NCA型セルが約6000個、複雑な直並列配置で接続されています。 1回の充電での航続距離は325kmです。 (18650という数字は、長さ（または高さ）65mm、直径18mmの近似寸法を持つリチウムイオン電池の一種である。 NCA」とは、このセルに使用されている正極材料を表しており、例えば、N＝ニッケル、C＝コバルト、A＝アルミニウム、つまりニッケル・コバルト・アルミニウム酸化物の正極材料です。）
90kWhパックは、7,616個のセルを16個のモジュールで構成しています。 重量は540kg。 1回の充電での航続距離は426kmです。
電池セルの構成要素。
バッテリーの最も重要な構成要素は
a. アノード（負極板）
b. カソード（正極板）
c. 電解質（鉛蓄電池では電解質も活物質であるが、他の多くのシステムではそうではない。）
以上の3つをアクティブコンポーネントと呼びます。
もちろん、以下のような非アクティブなコンポーネントもあります。
a. ジャー
b. 現在の収集グリッド
c. バスバーまたはコネクターストラップ
d. セパレーター
e. セル間コネクタ
f. 端子台など
鉛蓄電池では、電解質（希硫酸）がエネルギー生成反応に関与していることが、以下の細胞反応からわかります。 硫酸は、二酸化鉛と鉛を硫酸鉛に変えるために消費されるので、放電反応が進むにつれて電解液の密度が低下します。 逆に、セルが充電されると、充電反応が進むにつれて、電解質の密度が上昇します。 これは、放電時に両活物質に吸収された硫酸イオンが電解液中に放出されるため、電解液の密度が高くなるためである。
放電・充電反応
ガルバニックセルやバッテリーの反応は、システムや化学に特有のものです。
例えば、鉛蓄電池です。
Pb +PbO2 + 2H2SO4Discharge ↔ Charge 2PbSO4+ 2H2O E° = 2.04 V
ニッケル・カドミウム電池の場合
Cd + 2NiOOH + 2H2O Discharge ↔ Charge Cd(OH)2+ 2Ni(OH)2E° = 1.32 V
Zn-Cl2セルで
Zn + Cl2 Discharge ↔ Charge ZnCl2E° = 2.12 V
ダニエル細胞では（これは一次細胞で、ここでは可逆的な矢印がないことに注意してください。）
Zn + Cu2+放電 ↔ 充電 Zn2+ +Cu(s) E° = 1.1 V
充電電圧の均一化：バッテリーの充電についてはこちら
前述したように、蓄電池は永遠に使える電源ではありません。 枯渇すると、再びパワーを得るためには充電しなければなりません。 電池は、平均寿命と呼ばれる一定の寿命を期待されています。 蓄電池は、設計通りの寿命と信頼性を得るために、メーカーが提供する説明書に従って適切に充電し、保守する必要があります。 バッテリーの寿命を最大限に延ばすためには、適切な充電方法を用いる必要があります。
鉛酸電池での反応。
放電中にPbO2+ Pb + 2H2SO42PbSO4+ 2H2O
放電は、セル内にある程度の量の導電材料がある場合にのみ進行し、その後は電圧の低下速度が速いため、すぐに終止符が打たれることになる。 そのため、カットオフ電圧やエンド電圧と呼ばれる、放電を続けてはいけない電圧があります。 これ以上の放電は再充電を困難にし、予期せぬ大惨事を招く恐れがあります。
電池は放電後すぐに、メーカーが推奨する速度で充電するか、メーカーが提供する説明書に従って充電してください。
細胞内の放電・充電反応では何が起こるのか？
電解液：2H2SO4= 2H+ +2HSO4〜。
ネガティブプレート。Pb° = Pb2+HSO4+ 2e
Pb2+ + HSO4〜 =PbSO4↓ + H+です。
⇑ ⇓
正板。PbO2= Pb4+ +2O2
Pb4+ + 2e = Pb2+ (Pb4+ + 2e = Pb2+)
Pb2++ 3H+ +HSO4‾ +2O2- = PbSO4¯ ↓+ 2H2O
硫酸は強い電解質であるため、水素イオンと重硫酸イオン（硫酸水素イオンとも呼ばれる）に解離する。
放電を開始すると、負極板の多孔質鉛が酸化されて鉛イオン（Pb2+）となり、常に電解質である硫酸と接触しているため、硫酸鉛（PbSO4）に変化し、負極板の孔や表面、亀裂などに白色の物質として付着します。 前者（鉛が鉛イオンになる）は電気化学的な反応、後者（鉛イオンが硫酸鉛になる）は化学的な反応です。
私たちは、鉛が反応部位の近傍で鉛イオンとして溶解し、電解液中の重硫酸イオンと結合した後、直ちに硫酸鉛として負極活物質（NAM）上に析出すると考えています。 このような反応は、電気化学の分野では「溶解析出機構」や「溶解沈澱機構」と呼ばれています。
同様に、正極活物質（PAM）は、NAMから来る電子と結合して鉛イオンとなり、これが電解液中の重硫酸イオンと結合して硫酸鉛として正極活物質上に析出するという溶解析出のメカニズムを持つ。
充電時：2PbSO4 + 2H2O 充電→PbO2 + Pb + 2H2SO4
放電時に正極板と負極板で得られた反応生成物は、充電時に元の物質に戻される。 ここでは、放電の場合とは逆の反応を示しています。 プラスのプレートは酸化、反対の極性のプレートは還元されます。
均等充電。フル充電の完了はいつですか？
以下の条件を満たした場合、バッテリーは通常の充電を完了したとみなされます。
| パラメータ | 浸水した鉛酸電池 | バルブ調整式鉛蓄電池（VRLA） |
|---|---|---|
| 充電電圧・電流 | ここでは、定電流充電を想定しています。充電終了時のバッテリーの電圧は、特定の電流に対して一定でなければなりません。 12Vバッテリーの場合、16.2～16.5Vとなります。 | 印加電圧が一定の場合（例えば12Vのバッテリーの場合、13.8V～14.4V）、電流は少なくとも2時間は一定でなければなりません。 |
| 電解液の比重 | 電解液の比重も一定になるようにします。 この値は、メーカーから供給されたときの完全に充電されたバッテリーに依存します。 | 電解液の比重は測定できません。 |
| ガスの性質 | 両方のプレートに均一で大量のガスが発生しました。 蒸発する気体の量は、水の場合と同様に1：2、つまり酸素1に対して水素2となる。 | VRLABに推奨される充電電圧レベルでは、ごくわずかなガスが発生します。 2.25～2.3ボルト/セル（Vpc）のフロート充電では、ガスの発生は見られません。 2.3Vpcでは、12Vの100AhのVRLABでは、8～11ml/h/12Vのバッテリーを放出する可能性があります。 しかし、2.4Vpcでは18〜21ml/h/12Vバッテリーとほぼ2倍になります。 (i. pbq VRLA Batteries, January, 2010. ii.C&Dテクノロジーズ。Technical Bulletin 41-6739、2012年)。 |
イコライジングチャージ：バッテリーのイコライジングチャージとは
- 組み立てられたばかりの鉛蓄電池は、初期充填と 初期充電が必要です。
- 放電したバッテリーは、通常の充電が必要です。
- 電化製品や機器に接続されているバッテリーは、通常、完全には充電されていません。つまり、12Vバッテリーの場合、> 16Vのフル充電電圧に達していません。 例えば、自動車の（始動・点灯・点火）SLI用途では、12Vバッテリーの場合、バッテリーが到達できる最大電圧は約14.4Vとなります。 このような用途では，電池の寿命が長くなるにつれて，正極板と負極板の両方に未変換の硫酸鉛が蓄積されていくことになる。
その理由は、上記の電圧値では、すべての放電した製品を元の活物質に戻すには不十分だからです。 このような電池は、すべてのセルを満充電にして同じレベルにするために、定期的な再充電が必要です。 これは、電解質の成層化の影響を取り除くのにも役立ちます。 このような機器外課金をベンチチャージまたはイコライジングチャージと呼ぶ。
均等割増金についての結論
均等化充電は、メンテナンスの一環として行われます。 均等充電が可能な最大電圧は、鉛蓄電池の種類（浸水型、VRLA型）によって異なります。 前者のタイプのセルは、12Vバッテリーの場合、16.5Vの電圧まで定電流で充電することで、バッテリー内のすべてのセルを同じレベルにすることができます。
ただし、VRLAセルの充電は定電圧方式のみで、この印加電圧は12Vバッテリーの推奨最大電圧である14.4Vを超えてはいけません。 定電圧充電の設備がない場合、VRLAバッテリーは、バッテリーの端子電圧（TV）を常に監視しながら定電流で充電することができます。 テレビが14.4Vのレベルに近づいたり、超えたりしたときには、充電電流を継続的に減少させて、テレビが14.4Vを超えないようにする必要があります。
