前回記事のとおり新しいバッテリー充電器を購入し、どうも充電器によっていろいろ性能差がありそうだな！と思うようになりました。
従来は＜VRLAバッテリー(密閉型バッテリー)対応、パルス充電、トリクル充電機能＞があれば、どれも大差なしと思っていましたが、どうもそうではなさそうな・・。
そしてバッテリーはサルフェーションによって劣化するとか、電解液が減少して劣化するって言われているけど、それだけなの？？ と、いろいろ疑問が出てきました。
充電器の事だけでなくバッテリーについても、調べていくといろいろな事がわかってきました。
従来は＜VRLAバッテリー(密閉型バッテリー)対応、パルス充電、トリクル充電機能＞があれば、どれも大差なしと思っていましたが、どうもそうではなさそうな・・。
そしてバッテリーはサルフェーションによって劣化するとか、電解液が減少して劣化するって言われているけど、それだけなの？？ と、いろいろ疑問が出てきました。
充電器の事だけでなくバッテリーについても、調べていくといろいろな事がわかってきました。
そこでお勉強した”まとめ”を、この場に書いていきたいと思います。
＜もくじ＞
Ⅰ章 鉛バッテリーの構造
１．バッテリーの構造概要
２．極版について
１）グリッド（格子）とは
２）活物質（Active Material）とは
３．セパレーターの構造と役割
Ⅱ章 鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム
１．サルフェーション（硫酸鉛PbSO₄の蓄積・結晶化・粗大化）
１．バッテリーの構造概要
２．極版について
１）グリッド（格子）とは
２）活物質（Active Material）とは
３．セパレーターの構造と役割
Ⅱ章 鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム
１．サルフェーション（硫酸鉛PbSO₄の蓄積・結晶化・粗大化）
１）サルフェーションの概要
２）サルフェーションの発生メカニズム
３）電圧が高いとサルフェーションが起きにくい理由
２）サルフェーションの発生メカニズム
３）電圧が高いとサルフェーションが起きにくい理由
２．グリッド（格子）の腐食・酸化（Ⅰ章と一部重複）
１）グリッド（格子）とは
２）グリッド（格子）の主な役割
３）材質と製造技術
４）劣化との関係
３．活物質の剥離・脱落（Ⅰ章と一部重複）
１）活物質（Active Material）とは
２）活物質（ペースト）の構成と役割
３）ペーストの組成と製造
４）活物質の反応メカニズム（放電時）
５）活物質の劣化
４．電解液の劣化・減少（電解質劣化）
１）電解液とは？
２）劣化・減少の主なメカニズム
３）対策のポイント
４）硫酸濃度（比重）がバッテリーに与える影響
５．セパレーター劣化とそのメカニズム
１） セパレーター孔（ポア）の詰まり（Pore Blocking）
２）セパレーターの酸化劣化（主に正極側）
３） セパレーターの熱劣化・熱収縮
４）活物質の脱落によるショートリスク増大（底部堆積物）
５）セパレーターの極板密着性の変化（乾燥化）
６）経年劣化での微小クラック・ピンホール
７） どの極板を袋状セパレーターで包むかは“メーカーの設計思想で異なる”
８）まとめ：セパレーターの劣化はバッテリー寿命の“最後の砦”
６．温度・熱サイクルによる加速劣化
７．劣化原因から導かれる対策
１）化学反応速度の加速
２）電解液の蒸散・乾燥
３）熱膨張・収縮による機械的ストレス
４）過充電が起きやすくなる
５）熱暴走（thermal runaway）のリスク増加
７．劣化原因から導かれる対策
Ⅲ章 国産GSユアサ、台湾ユアサ、安価な中華バッテリーの違い
Ⅳ章 バッテリー充電器の違い
Ⅴ章 その他
・・徐々に書き上げていく予定なので、”もくじ”の内容は後日修正が入る可能性があります。
Ⅰ章 鉛バッテリーの構造
「鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム」を理解するうえで、まずは簡単なバッテリーの構造を知る必要があります。
下図は、ネットの拾い画像です。
全て英語表記だったので、必要な箇所に小生が日本語で加筆しています。
・positive electrode(lead dioxide) ⇒ 正極板（PbO₂）
・negative elecrrode(lead) ⇒ 負極板（Pb）
・dilute H2SO4 ⇒希硫酸
＜補足表＞
＜補足表＞
１．バッテリーの構造概要
１２V鉛バッテリーの場合、６個のセルから構成されています。
１個のセルの満充電開放電圧：2.12V(理論値）×６セル＝満充電開放電圧：約12.72V。
１つのセルの中には、正極版と負極板、そして正極・負極の短絡を防ぎつつイオンを通すためのセパレーター（仕切り板）が両極板の間に設けられています。（注：上記図にはこのセパレーターが書かれていません。）
正極板、負極板、セパレーターは、１セルの中に複数設けられていますが、枚数、材質、大きさ／厚さは製造メーカによって異なっています。 （これがバッテリーの性能差、寿命を左右する要因にもなっています。）
↓↓↓
バッテリー1セルの中で、複数枚の正極板・負極板が交互に配置され、それぞれがセパレーターで仕切られています。
２．極版について
極板は、グリッド（格子）と言われる枠組のものに活物質（ペースト）を塗布・圧着したものです。
１）グリッド（格子）とは
グリッドとは、＜鉛バッテリーの極板（正極・負極）を構成する金属骨格（フレーム）＞であり、活物質を保持し、電流を効率的に分配・伝導するための導電体です。 いわば、極板の“骨組み”にあたる部分です。
(1) 主な役割
①活物質の支持構造
ペースト状または焼結状の活物質（正極：PbO₂、負極：Pb）をしっかり保持し、充放電時の膨張・収縮や振動から守ります。
②電流の伝導経路
活物質全体に均一に電流を流し、反応をセル全体に行き渡らせます。 格子形状のパターンや厚みは、電流分布や内部抵抗に大きく影響します。（⇒バッテリーの寿命に関係する）
③反応生成物の保持と拡散
格子と活物質の隙間を通じて電解液が浸透し、反応生成物（PbSO₄など）の形成・分解が効率的に行われるように設計されています。
(2) 材質と製造技術
製造方法は、鋳造法（gravity casting）、拡延法（expanded metal）、パンチング法などがあり、高級バッテリーほど格子の結晶構造が均一で導電性が高く、腐食に強い合金が使用されています。
(3) 劣化との関係・・「Ⅱ章 鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム」で説明。
２）活物質（Active Material）とは
活物質とは、鉛バッテリーの極板（正極・負極）上で化学反応を担う主要な物質であり、グリッド（格子）にペースト状に塗布・圧着された鉛化合物。 充放電の際に、電気エネルギーと化学エネルギーの相互変換を行う“心臓部”。
(1) 活物質（ペースト）の構成と役割
鉛バッテリーには、極性によって次の2種類の活物質が使用されます。
鉛バッテリーには、極性によって次の2種類の活物質が使用されます。
この2つの活物質が硫酸（H₂SO₄）電解液と反応し、放電時に電流を発生、充電時に再び元の状態へ戻ります。
(2) ペーストの組成と製造
活物質は、鉛粉に添加剤と水・希硫酸を混ぜて練ったペースト状の混合物で、グリッド表面に塗布したのち乾燥・成形・化成（初期充電）されて活性化します。
特に負極側では、導電性や充電受入性を高めるために、カーボン系添加剤やリグニン系バインダーが加えられます。
(3) 活物質の反応メカニズム（放電時）
放電時には、以下の反応が起こります。
◇正極（PbO₂）：
PbO₂ + SO₄²⁻ + 4H⁺ + 2e⁻ → PbSO₄ + 2H₂O
（補足）
（補足）
PbO₂:二酸化鉛・・鉛と酸素の化合物。酸化鉛(IV)（さんかなまりイオン）とも呼ばれます。鉛蓄電池の正極活物質などに使われる、暗褐色の固体です。
SO₄²⁻：硫酸イオン（りゅうさんイオン）・・硫酸 硫酸(H₂SO₄) が水中で解離したときに生成されるもので、硫酸塩を構成する代表的なイオンです。
4H⁺：４つの水素イオン
2e⁻：2価の陰イオン
PbSO₄:硫酸鉛(II)。鉛蓄電池の放電時に電極上で生成される。
2H₂O：水が2分子ある状態
◆負極（Pb）：
Pb + SO₄²⁻ → PbSO₄ + 2e⁻
(補足）
(補足）
Pb：鉛
SO₄²⁻：：硫酸イオン（りゅうさんイオン）・・硫酸 硫酸(H₂SO₄) が水中で解離したときに生成されるもので、硫酸塩を構成する代表的なイオンです。
PbSO₄:硫酸鉛(II)。鉛蓄電池の放電時に電極上で生成される。
2e⁻：2価の陰イオン
放電が進むと、両極ともに**PbSO₄（硫酸鉛）**に変化し、電解液中の硫酸濃度が低下します。
(4) 劣化の主な原因・・「Ⅱ章 鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム」で説明。
セパレーター（separator）は、正極板と負極板が直接接触してショートするのを防ぐための絶縁材ですが、同時にイオン（H⁺、SO₄²⁻）が自由に移動できる多孔質構造になっています。
・袋状セパレーター（ポケットタイプ）
多くの鉛バッテリー（特に自動車・バイク用密閉型やメンテナンスフリー型）では、セパレーターは袋状（スリーブ状）になっており、 正極板（lead dioxide plate） を1枚ずつ包み込む形で配置されています。
理由は以下の通り。
①正極板の腐食や膨張による脱落物（活物質の剥離）が多く、負極との短絡リスクが高いため、正極を覆う構造が安全。
②袋状にすることで、組み立て時の位置ズレ防止・接触防止が容易になる。
③電解液中でのイオン移動を妨げないように、微細孔を持ったポリエチレンやPVC製のスリーブが使われる。
注：例外あり。
一部の古い開放型バッテリーや産業用大型バッテリーでは、セパレーターが平板状（板状）で、正極・負極の間に挟むだけの構造になっているものもあります。
「Ⅰ章 鉛バッテリーの構造」では、次章の「鉛バッテリーが劣化する原因とそのメカニズム」を理解するために、簡単にバッテリーの内部構造について触れました。
稚拙な説明のため、わかりにくいと思います。 詳しくバッテリーの構造等をお知りなりたい方は、ユーチューブ等で検索されると、わかりやすい説明をされている方が大勢いらっしゃるので、そちらをご覧ください。 ごめんちゃいm( __ __ )m
－続く－
ps:本記事は自分の知識向上のために調べて作成したものです。 間違い等もあるかもしれません。ご承知おきください。
