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ニッケル水素電池:電池に水素吸蔵合金を使うという発想

更新 2024-2-24

ニッケル水素電池(Nickel–metal hydride battery)

我々は様々な形でエネルギーを利用していますが、数あるエネルギーの中でも特に利便性が高いのが電気エネルギーです.

電気エネルギーはそのままでは保管しておくことが難しいという問題があります.そのため、基本的には電線のつながる先にある電子機器しか使用できませんでした.これでは不便ですよね.

安価な電池の登場は社会にとって画期的であり、これにより携帯用デバイスの普及が一気に進みました.電池は化学エネルギーを電気エネルギーに変換することのできる装置であり、20世紀中頃から家庭用に市販されています.当時の電池は基本的に使い捨てであり、家庭に電池のストックを用意する必要があるのと、使い切った電池を処分する方法を考える必要がありました.今でも乾電池は使い切りのものが多いです.

使い切りの電池(一次電池)に対し、充電可能な電池(二次電池)の登場もやはり画期的でした.

ニッケル・カドミウム電池(ニッカド電池)は長らく民生用二次電池として唯一の選択肢であり、カセットプレーヤーやビデオカメラ用に広く使用されました.しかし、カドミウムが使用されていることによる安全性への懸念と、エネルギー密度に優れる後発の二次電池の登場によりだんだんと姿を消していきました.

代わって台頭するのが今回紹介するニッケル水素蓄電池です.

ニッケル水素電池はエネルギー密度と安全性に優れ、リチウムイオン電池が登場するまで二次電池の主役であり続けました.構成はニッカド電池と非常によく似ていますが、カドミウムの代わりに水素吸蔵合金を使用しているという特徴があります.

今回は、そんなニッケル水素電池について見ていきます.

ニッケル水素電池の仕組み

ニッケル水素電池は1990年代以降に実用化された比較的新しい電池です.ニッケル水素電池はニッカド電池と非常によく似ており、正極の水酸化ニッケルと電解液の水酸化カリウム( \rm{KOH})水溶液は共通のものが使用されます.

負極だけが異なっており、ニッカド電池ではカドミウムが使われていたところを、ニッケル水素電池では水素吸蔵合金に置き換えられています.ニッケル水素電池の放電電圧は 1.2 V であり、反応式は以下のように表されます.

(ニッケル水素電池の反応式)(負極) \rm{\textit{M}H_\textit{x}+\textit{x} OH^- ⇄ \textit{M} + \textit{x} H_2O + \textit{x}e^-}
(正極) \rm{\textit{x} NiOOH + \textit{x} H_2O + \textit{x} e^- ⇄  \textit{x}Ni(OH)_2 +  \textit{x}OH^-}
(全体) \rm{\textit{M}H_\textit{x} + \textit{x} NiOOH ⇄ \textit{M} + \textit{x}Ni(OH)_2}

ここで、 M水素吸蔵合金を表します.

水素吸蔵合金とは、その名の通り水素の吸蔵が可能な合金材料であり、水素が結晶格子間に侵入あるいは化学結合することにより高密度で水素を吸蔵することが可能です.安全性に優れることから、次世代のエネルギー源である水素の貯蔵方法として期待されています.

ニッケル水素電池では充電時に水素の吸蔵放電時に水素の放出を行います.

この際、水素はすぐに消費されるため電池内の圧力は上昇しません.正極、負極の半反応では水が反応に関わりますが、全反応では水の寄与が相殺され、電解液の濃度は変化しません

ニッケル水素電池の特徴

ニッケル水素電池では過充電の際に正極から酸素ガスが、過放電の際に負極から水素ガスがそれぞれ発生しますが、両者を反応させて水に戻す工夫が施されています.そのため、水素という扱いにくいガス種を用いているにも関わらず、ニッケル水素電池は安全性・安定性に優れています.ボルタ電池から比べると隔世の感があります.

ニッケル水素電池に使用される水素吸蔵合金は \rm{LaNi_5}を基本とします.このままでは高価なので、 \rm{La}を希土類元素の混合物であるミッシュメタル Mmで、 \rm{Ni}の一部を \rm{Co, Al, Mn}などで置換した合金が使用されています.これにより、耐食性やサイクル寿命も同時に向上させています.性能をより向上させるには、水素吸蔵料がより大きく、水素平衡圧が小さく、化学的に極めて安定な水素吸蔵料の開発が不可欠です.

ニッケル水素電池は内部抵抗が低く、大電流での駆動に適しています.一般的なアルカリ単3形電池は、大電流で使用すると容量が大幅に低下しますが、ニッケル水素電池には容量の損失が殆ど見られません.

リチウムイオン電池は、ニッケル水素電池よりも軽量かつ高いエネルギー密度を持ちますが、ニッケル水素電池の方が安価であり、爆発の危険性も少ないです.ニッケル水素電池は充電式乾電池のほか、ハイブリッド自動車の電源としても利用が盛んです.

まとめ

ニッケル水素電池はニッカド電池よりも安全性とエネルギー密度の観点で優れ、多くの分野で置き換えが進みました.しかし、時代は変わるもので、今度はリチウムイオン電池がニッケル水素電池を淘汰しようとしています.

性能面ではリチウムイオン電池が圧倒的に優れていますが、高価なリチウムイオン電池に対してニッケル水素電池はコスト面で優れます.分野によってはまだニッケル水素電池が卓越する分野もあり、然るべき分野で使用されています.

個人的には水素吸蔵合金を電池に使用するというアイデアが脱帽でした.分野を横断して材料を探索する価値を示した好例であると言えるかもしれません.

参考文献

化学と教育 2001 年 49 巻 2 号 p. 97-99

化学教育 1995 年 43 巻 2 号 p. 80-83

人工臓器 1997 年 26 巻 6 号 p. 978-984

Nickel–metal hydride battery - Wikipedia