ニッケル・水素充電池

Ni-H2

狭義のニッケル水素電池 (NiH₂ or Ni-H₂) は、ニッケルと水素ガスを基にした充電可能な電気化学的電力源である。ニッケル金属水素化物(Ni-MH)電池との違いは水素を8.27 MPa (1200psi) の高圧タンクに貯蔵する点である。

化学系

正極は乾式焼結によって製造される水酸化ニッケルを含む多孔質ニッケルである。負極の水素電極はテフロン結合の白金黒触媒が用いられ、セパレーターにはZircar tricot knit zirconia布であるlink titleZYK-15title.が用いられる。
NiH₂セルは26%の水酸化カリウム (KOH) が電解質として用いられ寿命は80%の放電深度 (DOD) で15年を見込む。エネルギー密度は75Wh/kg・60 Wh/dm³、比出力 220 W/kg、開放電圧は1.55V・放電期間中の平均電圧は1.25Vで負荷時の電圧は1.5 V以下である。セルは2万回以上の充電サイクルで85%のエネルギー効率である。

用途

NiH₂充電池はエネルギー貯蔵装置として人工衛星や宇宙探査機に使用される。例として国際宇宙ステーション、2001年のマーズオデッセイやマーズグローバルサーベイヤーに搭載された。ハッブル宇宙望遠鏡は打ち上げ後19年以上経つ2009年5月に元の蓄電池を交換した。低軌道で最も多くの充放電サイクルを経たNiH₂電池を交換した。

歴史

Ni-H₂の開発は、1970年代のコムサットから始まり、最初の使用は1977年、アメリカ海軍の航法衛星 (NTS-2) である。つまり元々は、高出力、高容量、長寿命の人工衛星のバッテリーとして開発が進められていたわけである。当初はタンクに圧縮された水素を貯蔵していた。（現在でも、宇宙用等、一部では水素の貯蔵にタンクを用いる種類も残っている。）

概要

非水系電解質の充電池としては高容量でリチウムイオン二次電池が普及するまでは長らく携帯機器の電源として使用されてきた。自己放電が多く、満充電後、概ね1年間放置しておくと容量が0になったが、2005年に三洋電機によって開発されたEneloopではこの点が改良された。自己放電の原因は『正極の自己分解』と『窒素化合物によるシャトル効果』『セパレータへの導電性化合物析出』だとされる。従来はセパレータの厚みを増やす事により自己放電を減らしていたが、セパレータの素材を従来のエチレンビニルアルコール系の親水性ポリオレフィンよりもさらに改良されたスルホン化ポリオレフィンを採用することにより自己放電を減らした。さらに負極の水素吸蔵合金に含まれるコバルトやマンガンが原因であることを突き止め、コバルトやマンガンを使わない『超格子合金』を採用することで、大幅に自己放電を抑える事が可能になった。低自己放電型ニッケル水素電池は、セパレータの体積が大きいため、従来の同等品よりも容量が低下して、最高容量の低自己放電型単三型充電池は2500mAhなので同等品の2700mAhと比較して容量が下がる。

形状と容量

形状は単一形・単二形・単三形・単四形・角形 (006P) ・ガム型、その他に産業用特殊品がある。容量としては、例えば単三形では1000mAh - 2500mAh、単四形で750mAhが、2006年時点の標準的な公称容量である。充放電可能な回数（サイクル寿命）については、メーカーにもよるが、少ないものでも「およそ500回以上の充放電が可能」とされている。なお、容量の大きいものほど、サイクル寿命が短い傾向がある。これは、電極材の酸化や電解液の喪失が原因である。

普及状況とシェア

乾電池型充電池、ハイブリッドカーの電源、あるいはデジタルカメラ・携帯音楽プレーヤーや一部のノートパソコンの専用電池などとして広く普及している。
2010年時点で、世界のシェアのトップは三洋電機（FDKトワイセル製）である。SANYOブランドでの販売の他、FDKからのOEM供給も行っており、本体や缶底に“HR”記号が入っているものが同社製である。eneloop以降の製品では缶底の“HR”記号は無くなっている。FDKは元々三洋電機のNi-MHを供給されていたが、三洋エナジートワイセルのFDKへの売却で関係が逆転した。

乾電池・アルカリ電池の代替

2005年11月1日に、三洋電機は自己放電とメモリ効果を抑え、あらかじめ充電した状態で販売するという新型のニッケル水素電池「eneloop（エネループ）」の発売を発表し、同年11月14日から販売を開始した。また、松下電器産業（現・パナソニック）も株式会社ジーエス・ユアサコーポレーションと共同開発し、同年10月31日、同様の電池の発売をアナウンスした（パナソニック充電式ニッケル水素電池・充電式EVOLTA）。2006年11月にはソニーがこれらと同様の電池（エネループ技術）を「サイクルエナジーブルー」のブランドで発売開始した（エネループOEM）。2006年現在、これらの電池は一般小売店での取り扱いも多くなりつつある。

ホビー・玩具

ラジコンの耐久レース、電動ガンを使った競技などでは、ニカド電池に比べて大容量なため、電池交換の頻度を減らせる。一方、大容量化により重量面ではニカド電池よりも重くなることがある。
特性上ニカド電池より瞬発力に劣る部分があるが、公称値でニカド電池の1.5倍以上の容量を利用した強力なパワーソースの使用や、近年の中国メーカーによる技術競争などにより、模型分野では実用上問題なくなっている。模型用で多く使われるsub-C型セルの場合、市販されているニッカドでは2400mAhが最大だが、ニッケル水素型では少ないものでも3000mAh、主に流通しているものでは3600 - 4200mAh、最近の大容量製品では4600mAhを上回る物もある。
電動ガンでは、過放電に強く自己放電が少ないなど扱いが手軽なニカド電池も利用される。
一般的なラジコンカーのレースではNi-MHが主流になっている。一部の模型メーカーが主催するラジコンカーレースでは、環境保全の考え方からニカド電池の使用を禁止している場合も見られる。
模型分野に限っては一般にトップシェアである三洋電機（FDKトワイセル製）のシェアは非常に少なく、インテレクト社やゴールドピーク製のセルが多く使用されている。当初三洋電機製を採用していた業界最大手のタミヤでも、は2011年現在採用しているのはゴールドピーク製であり、製品写真にGPの社名が確認できる。
ミニ四駆やダンガンレーサー/楽しいトレインシリーズ、楽しい工作シリーズをはじめとするいくつかのタミヤ製電動模型キットシリーズでは、発熱の問題を回避するという名目で、公式レースではニッケル水素電池の使用が禁止されていた。また、近年製造されたキットのパッケージには新型車・旧型車問わずニッケル水素を絶対に使うなと明記されている。しかし、ミニ四駆については、公認競技会規則が改定されて電池が原則タミヤブランドのみになり、また2010年12月の新商品「ネオチャンプ」発売により、同商品に限ってニッケル水素の使用が解禁された。ニッケル水素電池が使用可能になった経緯について、現在のところタミヤから明確な説明はない。

デジタルカメラ

単3型電池を用いるデジタルカメラの場合、一次電池も用いることが出来るが、ニッケル・水素蓄電池の方が放電特性に優れ、また繰り返し充電できるため経済的である。ニッケル・水素蓄電池と充電器を付属している機種もある。

ハイブリッドカー

ハイブリッドカー用の二次電池としては主としてNi-MHが使用される。

乾電池型の安全のための構造

電解液には触媒が加えられており、電気分解により生じた水素ガスを酸素ガスと素早く反応させ、水に戻すための工夫が施されている。しかし過充電時には強く発熱し電気分解によって生じた水素ガスが吸収できずに内圧が高まる。そのため陽極に「防爆弁」があり、圧力が過剰になると水素ガスを放出するしかけになっている。
さらに内圧が上がるとガスと共に電解液が排出され、陽極に電解液の結晶や腐食が蓄積する。そうすると防爆弁が空いたままになりさらに電解液を喪失するとともに、結晶が陽極とケースを短絡するために充電不足となり、やがて寿命となる。
万が一、破裂や電解液の漏出がおきても電解液は不燃の水溶性であるため火災につながるリスクは非常に小さい。ただし、強アルカリ性であるため皮膚など触れると火傷（化学熱傷）を引き起す。またその場合、電池周囲の木材や樹脂などを変質させる可能性もある。
なお、通常の乾電池型のものの陽極に（個人が独自に）直接ハンダ付けなどをすると防爆弁が不良になるので、それをしてはいけない、とされている。ハンダ付けして使う用途には、はんだづけ時の電池本体の過熱を防止するニッケル金属片があらかじめスポット溶接されているタイプが製造・販売されている。
2003年8月21日にトミー・三洋電機は、玩具用に特化し、安全性をさらに高めたニッケル水素電池「Every Denchi（エヴリデンチ）」を発表した。これは誤使用時の発熱を約60°Cに抑え、液漏れの問題を回避するというものである。同年11月から発売。また2005年7月には、三洋電機が後継シリーズとしてニッケル水素電池「Toy Cell（トイセル）」を発表・発売。