VRLAバッテリー
AGMゲルバッテリー
ディープサイクル用途向けにゲル技術を内蔵した12V VRLAバッテリー

制御弁 式鉛蓄電池（VRLA）は、一般に密閉型鉛蓄電池（SLA）とも呼ばれ、[ 1 ] 、限られた量の電解質（「飢餓状態」の電解質）がプレートセパレーターに吸収されるかゲル状に形成されること、酸素の再結合がセル内で促進されるように負極プレートと正極プレートが比例していること、およびセルの位置に関係なくバッテリーの内容物を保持する安全弁が存在することを特徴とする鉛蓄電池の一種です。[ 2 ]

VRLAバッテリーには、主に2つのタイプがあります。吸収ガラスマット（AGM）とゲルセル（ゲルバッテリー）です。[ 3 ]ゲルセルは、電解液にシリカ粉末を加えてパテ状の厚いゲルを形成します。AGM（吸収ガラスマット）バッテリーは、バッテリープレート間にガラス繊維メッシュを備えており、電解液を封じ込め、プレートを分離する役割を果たします。どちらのタイプのVRLAバッテリーも、液式ベント鉛蓄電池（VLA）バッテリーや他のバッテリーと比較して、それぞれ長所と短所があります。[ 4 ]

ゲルセル型およびAGM型のVRLAは、その構造上、あらゆる方向に設置でき、継続的なメンテナンスを必要としません。「メンテナンスフリー」という用語は誤称であり、VRLAバッテリーは洗浄と定期的な機能テストを必要とするため、VRLAバッテリーは広く使用されています。VRLAバッテリーは、大型ポータブル電気機器、オフグリッド電力システム（無停電電源システムを含む）、自動車（ゴルフカートなどの軽電気自動車の駆動用バッテリー、大型車両のスターターバッテリーまたは補助バッテリー）など、リチウムイオンなどの他の低メンテナンス技術よりも低コストで大容量のストレージを必要とする用途に広く使用されています。

歴史

最初の鉛酸ゲル電池は、1934 年にエレクトロテクニック ファブリク ゾンネベルクによって発明されました[ 5 ]現代のゲル電池、または VRLA は、1957 年にゾンネンシャインのオットー ヤッヘによって発明されました。 [ 6 ] [ 7 ]

最初のAGMセルはサイクロンであり、 1972年にゲイツラバー社によって特許を取得し、現在はエナーシス社によって製造されています。[ 8 ]

サイクロンは、薄い鉛箔電極を備えたスパイラル巻きセルでした。多くのメーカーがこの技術を採用し、従来の平板型セルに搭載しました。1980年代半ば、英国テレコムが新しいデジタル交換機を支えるバックアップバッテリーの仕様を策定したことを受け、クロライド・グループとタングストーン・プロダクツという英国の2社が、最大400Ahの容量で「10年寿命」のAGMバッテリーを同時に発売しました。

同時期に、ゲイツは航空機および軍用バッテリーを専門とする英国企業、ヴァーレイ社を買収しました。ヴァーレイ社はサイクロン社の鉛箔技術を応用し、非常に高い出力特性を持つ平板バッテリーを製造しました。これらのバッテリーは、当時の標準であったニッケルカドミウム（Ni-Cd）バッテリーの代替として初めて、 BAE-125および146ビジネスジェット、ハリアージャンプジェットとその派生型であるAV-8B、そしてF-16の一部派生型など、様々な航空機に採用されました。[ 6 ]

基本原則

1953 年型自動車用バッテリーの断面図。

鉛蓄電池は、電極として機能する2枚の鉛板と、希硫酸からなる電解液で構成されています。VRLA電池は、電解液が固定化されている点を除けば、同じ化学的性質を持っています。AGM電池では、ガラス繊維マットによって固定化されています。ゲル電池（ゲルセル）では、電解液はシリカなどのゲル化剤を添加することでペースト状のゲル状になっています。[ 9 ]

セルが放電すると、鉛と希硫酸が化学反応を起こし、硫酸鉛と水が生成されます。その後、セルが充電されると、硫酸鉛と水は再び鉛と硫酸に戻ります。すべての鉛蓄電池の設計において、充電電流は電池のエネルギー吸収能力に合わせて調整する必要があります。充電電流が大きすぎると電気分解が起こり、硫酸鉛と水が二酸化鉛、鉛、硫酸に変換されるだけでなく、水が水素と酸素に分解されます（放電プロセスの逆）。従来の液浸型セルのようにこれらのガスが漏れ出てしまう場合は、電池に定期的に水（または電解液）を補充する必要があります。一方、VRLA電池は、圧力が安全なレベルに保たれている限り、発生したガスを電池内に保持します。通常の動作条件下では、ガスは電池内部で再結合し、場合によっては触媒の助けを借りるため、電解液の追加は不要です。[ 10 ] [ 11 ]しかし、圧力が安全限度を超えると、安全弁が開いて余分なガスを排出し、その際に圧力を安全なレベルに戻します（したがって、「VRLA」の「調整弁」と呼ばれます）。[ 12 ]

工事

VRLAバッテリーの各セルには圧力逃し弁が付いており、バッテリーが水素ガスの圧力を上昇し始めると作動します。これは通常、再充電の結果として起こります。[ 12 ]

セルカバーには通常、ガス拡散装置が組み込まれており、過充電時に発生する可能性のある過剰な水素を安全に拡散させます。カバーは永久的に密閉されているわけではありませんが、メンテナンスフリーとなっています。通常の鉛蓄電池は、酸の漏れを防ぎ、極板の向きを垂直に保つために垂直に立てて保管する必要がありますが、セルカバーは任意の向きに設置できます。セルは極板を水平（パンケーキ型）にして動作させることも可能で、これによりサイクル寿命が向上する可能性があります。[ 13 ]

吸収ガラスマット（AGM）

AGMバッテリーは、電解液がプレートに自由に浸透するのではなく、ガラスマット内に保持される点で、液式鉛蓄電池とは異なります。極細のガラス繊維をマットに織り込むことで表面積を増やし、セルの寿命を通して十分な量の電解液を保持します。この微細ガラスマットを構成する繊維は、酸性の電解液を吸収せず、影響を受けません。これらのマットは、最終製造直前に酸に浸漬した後、2～5%絞り出されます。

AGMバッテリーの極板は様々な形状にすることができます。平板状のものもあれば、曲げ加工やロール加工されたものもあります。ディープサイクル型と始動型の両方のAGMバッテリーは、国際電池評議会（BCI）のバッテリー規格に従って長方形のケースに組み込まれています。

AGMバッテリーは、広い温度範囲において従来のバッテリーよりも自己放電に対する耐性が優れています。[ 14 ]

鉛蓄電池と同様に、AGMバッテリーの寿命を最大限に延ばすには、メーカーの充電仕様に従うことが重要です。電圧調整型充電器の使用が推奨されます。[ 15 ]放電深度（DOD）とバッテリーのサイクル寿命には直接的な相関関係があり、 [ 16 ] DODに応じて500サイクルから1300サイクルの差があります。

ゲル電池

プレート上にゲル化した電解質の白い塊がある壊れたゲル電池。

1930年代初頭、携帯用真空管ラジオのLT電源（2、4、または6V）用に、硫酸にシリカを加えることでゲル電池の一種が製造されました。 [ 17 ]この頃にはガラスケースはセルロイドに置き換えられ、その後1930年代には他のプラスチックに置き換えられました。初期のガラス瓶に入った「湿式」電池は、1927年から1931年または1932年にかけて、特殊なバルブを使用して垂直方向から水平方向に傾けられるようになっていました。[ 18 ]ゲル電池は、携帯用ラジオが乱暴に扱われても 液漏れしにくいという利点がありました。

現代のゲルバッテリーは、ゲル状の電解質を備えたVRLAバッテリーです。硫酸はフュームドシリカと混合されており、結果としてゲル状になり、動きにくくなっています。液浸型湿式鉛蓄電池とは異なり、これらのバッテリーは垂直に保管する必要はありません。ゲルバッテリーは、湿式バッテリーによく見られる電解質の蒸発、漏洩（およびそれに伴う腐食の問題）を軽減し、衝撃や振動に対する優れた耐性を誇ります。化学的には、鉛板のアンチモンがカルシウムに置き換えられ、ガス再結合が起こる点 を除けば、湿式（非密閉型）バッテリーとほぼ同じです。

比較: AGM vs. ゲル

吸収ガラスマット（AGM）バッテリーとゲルバッテリーはどちらも制御弁式鉛蓄電池（VRLA）に分類され、車両やバックアップ電源システムに広く使用されていますが、いくつかの重要な性能面で違いがあります。以下の比較では、充電速度、耐振動性、ディープサイクル性能などの特性に基づく主な違いを取り上げています。[ 19 ]

AGMバッテリーとゲルバッテリーの主な違い
特徴AGMバッテリーゲルバッテリー
充電速度速い遅い
放電率高い低い
振動に対する耐久性素晴らしい良い
極暑の中でのパフォーマンス良い素晴らしい
ディープサイクル寿命適度長さ
料金より低いより高い

アプリケーション

市場に出回っている多くの現代のオートバイや全地形対応車（ATV）は、コーナリング中、振動中、または事故後の酸漏れの可能性を低減するため、またパッケージング上の理由から、AGMバッテリーを使用しています。軽量で小型のバッテリーは、オートバイのデザインに応じて、必要に応じて奇妙な角度で取り付けることができます。AGMバッテリーは、液式鉛蓄電池に比べて製造コストが高いため、現在高級車に使用されています。車両の重量が増加し、ナビゲーションやスタビリティコントロールなどの電子機器の搭載が増えるにつれて、AGMバッテリーは車両重量を軽減し、液式鉛蓄電池に比べて優れた電気的信頼性を提供するために採用されています。

2007年3月以降のBMW 5シリーズには、回生ブレーキによるブレーキエネルギー回収装置とコンピューター制御を組み合わせたAGMバッテリーが搭載されており、減速時にオルタネーターがバッテリーを充電します。自動車レースで使用される車両では、耐振動性が高いためAGMバッテリーが使用される場合があります。また、AGMバッテリーは、交換が困難なボディパネルを損傷する可能性のある電解液の漏れが非常に少ないため、クラシックカーでもよく使用されています。

ディープサイクル AGM は、オフグリッド太陽光発電および風力発電設備のエネルギー貯蔵バンクとして、またFIRSTやIGVC競技会などの大規模なアマチュア ロボット工学でも一般的に使用されています。

AGMバッテリーは、北極の氷監視ステーションなどの遠隔センサーによく使用されています。AGMバッテリーは自由電解質を含まないため、このような寒冷環境でも割れたり液漏れしたりすることはありません。

VRLAバッテリーは、ガスと酸の排出量が非常に少ないため、屋内での使用において安全性が高く、電動車椅子や電動スクーターに広く使用されています。また、停電時のバックアップとして 無停電電源装置（UPS）にも使用されています。

VRLAバッテリーは、様々な飛行姿勢や比較的広い周囲温度範囲にも悪影響を与えずに耐えられることから、グライダーの標準的な電源としても使用されています。しかし、充電方法は温度の変化に合わせて調整する必要があります。[ 20 ]

VRLA電池は、その高出力、ガス発生の防止、メンテナンスの低減、安全性の向上などの理由から、米国の原子力潜水艦艦隊で使用されている。[ 21 ]

AGMバッテリーとゲルセルバッテリーは、マリンレジャー用途にも使用されていますが、AGMバッテリーの方が一般的に入手しやすいです。AGMディープサイクルマリンバッテリーは、多くのサプライヤーから提供されています。メンテナンスの手間が少なく、液漏れ防止機能を備えていることから人気がありますが、従来の液浸型セルに比べるとコスト効率は劣ると一般的に考えられています。

通信用途では、Telcordia Technologiesの要件文書GR-4228「安全性と性能の要件に基づく制御弁式鉛蓄電池 (VRLA) バッテリーストリング認証レベル」の基準に適合する VRLA バッテリーは、管理環境庫 (CEV)、電子機器筐体 (EEE)、小屋などの場所の屋外プラント (OSP)、およびキャビネットなどの管理されていない構造物への導入が推奨されています。通信における VRLA と比較して、VRLA 抵抗測定型装置 (OMTE) および OMTE のような測定装置の使用は、通信バッテリープラントを評価するためのかなり新しいプロセスです。[ 22 ]抵抗試験装置を適切に使用することで、コストと時間のかかる放電試験を実行するためにバッテリーを稼働状態から取り外すことなく、バッテリー試験を行うことができます。

液浸鉛蓄電池との比較

VRLAゲルバッテリーとAGMバッテリーは、VRLA液式鉛蓄電池や従来の鉛蓄電池に比べていくつかの利点がある。バルブは過圧故障時にのみ作動するため、バッテリーはどの位置にでも取り付けることができる。バッテリーシステムは組み換え型で過充電時のガス排出がないよう設計されているため、室内の換気要件が軽減され、通常動作時には酸性ガスは排出されない。液式セルのガス排出は、ごく狭い場所を除いてほとんど影響がなく、家庭ユーザーにとっての脅威もほとんどないため、長寿命設計の湿式バッテリーはkWhあたりのコストが低くなる。ゲルバッテリーでは、ケースの損傷や通気によって放出される自由電解液の量は非常に少ない。電解液のレベルを確認したり、電気分解で失われた水を補充したりする必要がない（またはできない）ため、検査とメンテナンスの必要性が軽減される。[ 23 ]湿式バッテリーは、自動給水システムまたは3ヶ月ごとの補充によってメンテナンスできる。蒸留水の補充が必要になるのは、通常、過充電が原因です。適切に管理されたシステムであれば、3ヶ月に1回以上の補充は必要ありません。

すべての鉛蓄電池 — 充電要件

あらゆる鉛蓄電池（LA）に共通する根本的な欠点は、バルク充電、吸収充電、そして（維持）フロート充電という3段階の充電プロセスから生じる、比較的長い再充電サイクル時間を必要とすることです。すべての鉛蓄電池は、種類を問わず、容量の約70%まで迅速にバルク充電できます。この間、バッテリーは電圧設定値で決定される大電流入力を数時間以内に受け入れます（所定のAhバッテリーに対して設計Cレートのバルク段階電流を供給できる充電電源を使用）。

しかし、初期のバルク充電後、電流が徐々に減少する中間吸収充電段階での時間が長くなります。この段階では、LAバッテリーの充電受け入れ率が徐々に低下し、バッテリーはより高いCレートを受け入れなくなります。吸収段階の電圧設定点に達すると（充電電流が徐々に減少すると）、充電器はバッテリーの完全充電状態を無期限に維持するために、非常に低いCレートのフロート電圧設定点に切り替えます（フロート段階は、バッテリーの通常の自己放電を時間の経過とともに相殺します）。

充電器が十分な吸収段階の充電期間と C レート (安価なソーラー充電器によくある欠陥である「停滞」またはタイムアウト) および適切なフロート充電プロファイルを提供できない場合、バッテリーの容量と寿命は大幅に減少します。

鉛蓄電池の寿命を最大限にするには、放電サイクル後できるだけ早く完全に再充電して硫酸化を防ぎ、保管時またはアイドル状態のときはフロート電源によって完全充電レベルに維持する必要があります（または、工場から出荷された新品を乾燥した状態で保管しますが、これは今日では一般的ではありません）。

放電サイクルで作業する場合、鉛蓄電池は放電深度（DOD）を50%未満、理想的には20～40%以下に維持する必要があります。真の[ 24 ] LAディープサイクルバッテリーはより低いDOD（時には80%）まで使用できますが、このような高いDODサイクルでは常に寿命が短くなります。

鉛蓄電池の寿命サイクルは、適切なメンテナンスによって異なり、適切なメンテナンスを行えば500～1000サイクルに達する可能性があります。メンテナンスを怠ると、100サイクル程度しか持たない場合もあります（使用環境にも左右されます）。

密閉型バッテリーの充電

密閉型AGMバッテリーまたはゲルバッテリーは、水分の損失を抑えるためにプレートにカルシウムが添加されているため、VRLAバッテリーや従来型の液式鉛蓄電池よりも速く充電できます。[ 25 ] [ 26 ]液式バッテリーと比較して、VRLAバッテリーは過度な充電時に熱暴走を起こしやすい傾向があります。電解液を比重計で検査することはできず、バッテリー寿命を縮める可能性のある不適切な充電を診断することはできません。[ 26 ]

比較の概要

AGM 自動車用バッテリーは通常、特定の BCI サイズ グループ内の液式セル バッテリーの約 2 倍の価格です。ゲル バッテリーの場合は最大 5 倍の価格になります。

AGM およびゲル VRLA バッテリー:

  • 液式鉛蓄電池よりも充電時間が短い。[ 27 ]
  • 過充電に耐えられない（過充電は早期故障につながる）[ 27 ]
  • 適切にメンテナンスされた湿式電池に比べて耐用年数が短い。[ 27 ]
  • 水素ガスの排出量が大幅に減少する。[ 27 ]
  • 本質的に環境に対してより安全であり、使用してもより安全です。
  • 任意の方向で使用または配置できます。

参照

参考文献

  1. ^アイズミン、トーマス・K. (2013).航空機の電気と電子工学（第6版）. マグロウヒル・プロフェッショナル. p. 48. ISBN 978-0071799157。
  2. ^リンデン、デイビッド・B、レディ、トーマス（2002年）「24」『電池ハンドブック 第3版』マグロウヒル社、ISBN 0-07-135978-8。
  3. ^ 「鉛蓄電池の爆発、鉱山安全速報第150号」オーストラリア：クイーンズランド州政府。2015年10月27日。2020年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2020年2月17日閲覧。
  4. ^ 「適切な鉛蓄電池技術の選択」（PDF） . Trojan Battery Company, カリフォルニア州, 米国. 2018年. 2023年9月29日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2023年9月29日閲覧。
  5. ^ 「電池と蓄電エネルギーの簡潔な歴史」（PDF）Netaworld.org。2019年2月20日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年2月19日閲覧。
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  10. ^ロバート・ネルソン、「鉛蓄電池におけるガス再結合の基礎化学」、JOM 53 (1) (2001)
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  12. ^ a b ロナルド・デル、デイビッド・アンソニー・ジェームズ・ランド、ロバート・ベイリー・ジュニア著『電池の理解』、王立化学協会、2001年、ISBN 0854046054101ページ、120-122ページ
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  14. ^ 「テクニカルマニュアル：パワースポーツバッテリー」（PDF） YuasaBatteries.com GS Yuasa . 2017年7月12日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2019年12月25日閲覧。
  15. ^ 「AGM充電：テクニカルサポートデスク」Support.rollsbattery.com . 2019年2月19日閲覧。
  16. ^ 「AGM放電特性：2014年10月6日（月）更新」 Support.rollsbattery.com 。2019年2月19日閲覧。
  17. ^ Watterson, Michael (2014年6月28日). 「Exide Gel-Cel Accumulator JSK2 Power-S Chloride Electrical」 . RadioMuseum.org . 2015年3月1日閲覧。
  18. ^ Walchhofer, Hans Martin; Watterson, Michael (2013年11月27日). 「スーパーレンジポータブル4A（チューニングダイヤルなし）」 . RadioMuseum.org . 2021年4月7日閲覧。
  19. ^ 「AGM vs ゲルバッテリー – 唯一必要な比較」 Powsea Battery . 2025年3月10日. 2025年4月10日閲覧。
  20. ^リンデン、レディ（編）、電池ハンドブック、第3版、2002年
  21. ^ 「Exide社、米海軍からバルブ制御式潜水艦バッテリーの初の生産契約を獲得。先進製品への移行に伴い、イリノイ州カンカキーのバッテリー工場を閉鎖」 Business Wire 2005年. 2016年9月7日閲覧。
  22. ^ GR-3169-CORE、制御弁式鉛蓄電池（VRLA）の抵抗測定型機器（OMTE）に関する一般要件。
  23. ^フィンク、ドナルド・G.; ビーティ、H. ウェイン (1978).電気技術者のための標準ハンドブック（第11版）. ニューヨーク: マグロウヒル. pp.  11– 116. ISBN 0-07-020974-X。
  24. ^ Collins, Rod (2015年4月7日). 「ディープサイクルバッテリーとは？」
  25. ^ Barre, Harold (1997). 『12ボルトの管理：12ボルト電気システムのアップグレード、運用、トラブルシューティングの方法』 Summer Breeze Publishing. p. 44. ISBN 978-0-9647386-1-4。（密閉されたバッテリープレートは水分の損失を減らすためにカルシウムで硬化されており、「バッテリーの内部抵抗が上昇し、急速充電が防止される」と述べている。）
  26. ^ a b Sterling, Charles (2009). 「FAQ: 補助充電システムに最適なバッテリーシステムは何か」 . 2012年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年2月2日閲覧。
  27. ^ a b c dカルダー、ナイジェル (1996).ボートオーナーの機械・電気マニュアル（第2版）. インターナショナルマリン. p. 11. ISBN 978-0-07-009618-9。

さらに読む

書籍と論文

  • 制御弁式鉛蓄電池。パトリック・T・モーズリー、ユルゲン・ガルシュ、CD・パーカー、DAJ・ランド編。p202
  • Vinal, GW (1955年1月1日) 「蓄電池．二次電池の物理・化学およびその工学的応用に関する一般論文」．エネルギー引用データベース (ECD) :文書番号7308501
  • ジョン・マクガバック『ケイ酸ゲルによる二酸化硫黄の吸収』エッシェンバッハ印刷社、1920年

特許

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