自動車用電池
航続距離が短かったり、短距離での使用(チョイ乗り)が主な場合は、エンジン始動と静止電流で失われる電力消費量をオルタネーターによる充電だけでは完全に補うことができず、充電不足に陥いる。
低温によって蓄電池の性能が制限される冬季には、シートヒーターやデフロスターといった電力を消費する機能の使用が増え、暗い時間にライトを付けて運転することも増える。加えて、低温では電池の充電受け入れ性能が低下する。運転時間が短か過ぎると、オルタネーターを使った充電によって蓄電池が満充電状態に到達しなくなる。
全ての鉛蓄電池と同様に、自動車用鉛蓄電池は、充電レベルが低過ぎるとサルフェーションが原因で恒久的な電池容量と性能の低下が起こる。電池が充電不足状態にある時間が長い程、サルフェーションが進行する。
したがって、鉛蓄電池の電圧が12.5nbspVを下回ったら直ちに100%まで完全充電しなければならない。部分的な充電だけでは、電池内に残った硫酸鉛の硬く、不溶な形への再結晶が続くため、不十分である。自動車用鉛蓄電池は急速充電ができないため、充電率に依っては充電には数時間がかかることもある。コストと環境保護のために、数時間運転するよりも外部コンセントから電源を取る充電器を使用するほうがよい。
開回路電圧が約12.0ボルトと下回ると、電池は深放電状態にあると見なすことができる。深放電は車両の電気系統の故障が原因で起こり得る(例えば、ドアスイッチやボンネットスイッチの故障によってECUが完全にアイドル状態まで停止していないような時)。駐車中の駐車灯を付けていたり、携帯電話の充電器をアクセサリーソケットに挿したままにしていたりすると、電力が消費され、すぐに深放電となる。このような場合、適切な充電器を接続して十分高い充電レベルをまず回復させなければならない。別の方法として、エンジン作動中の他の車のバッテリーからジャンパーケーブルをつないで、ジャンプスタートさせることもできる。
充電された鉛蓄電池を並列接続してジャンプスタートする時、正極と負極を決して交差接続してはいけない(短絡が起こる)。また、電池間の過渡電流を減らすために、バックアップ電池の負極と車両のエンジンブロックあるいは電池から離れた車体を接続することが推奨される。
短絡と火花の発生を予防するために、必ず負極を初めに外して、最後に再接続しなければならない。交通事故や誤った作業での短絡を防ぐために正極にはカバーが付いていることが多い。
正常な放電過程中には、正極板と負極板の両方で硫酸鉛が微細結晶として形成されるが、極板の表面積の大部分は電気を通すため急速充電が可能である。蓄電池が部分放電状態あるいは深放電状態に長期間置かれ続けると、小さな結晶が成長してより大きく、硬くなる。極板上に硫酸鉛の大きな結晶が形成されると、電解液中の硫酸の量が減り、電池容量が恒久的に低下する。
作動中の放電過程では、極板の活物質が鉛あるいは二酸化鉛から硫酸鉛へと変化し、充電過程では元に戻る。硫酸鉛の体積は鉛のおよそ2倍、二酸化鉛の2倍未満である。充電および放電中に活物質の体積変化が繰り返されることで、活物質が次第に剥れ落ちていき、スラッジが形成される。これによって電池容量が低下する。過去には、スラッジを溜めるために液式鉛蓄電池の底には溝が設けられていた。沈殿物が溜まって極板の底辺まで達すると、電極間の短絡が起こる。今日、(正極か負極のいずれかの)極板を袋状のセパレータに包むことによって、沈泥の形成を防いでいる。現代的な電池には沈泥を溜める溝はなく、電極は容器の底に触れている。
耐用期間の間には、正極の鉛合金製格子が二酸化鉛へ次第に変換される。これは格子腐食と呼ばれる。
車を3か月以上使わないと、電圧が10.8nbspV未満に落ちる深放電状態となる可能性がある。充電率が低過ぎると、バッテリー中でサルフェーションやスラッジ形成が起こる。こういったことは、オートバイ、トレーラーハウス、モーターボート、スノーモービルなどある季節にしか稼動させない乗り物で起こる。
1990年代初めまで一般的に使われていた鉛アンチモン合金製格子を使った鉛蓄電池では、3か月から5か月毎に定期的にセル中の電解液量を検査する必要があり、必要であれば蒸留水を補充しなければいけなかった。電解液量を電池容器の外側から目視できるのであれば、メンテナンスフリーを謳う電池であっても時々確認すべきである。電解液は極板の上端から10nbspmm程度上まで入れなければならない。電解液の液面より上に極板が出てしまうと、その部分は乾燥して損傷してしまう。補水には脱イオン水か蒸留水を使わなければならない。
現在のメンテナンスフリー湿式蓄電池では、セルの蓋を容易に取り外すことはできず、再びきちんと閉めることも難しい。
AGM電池では、電解液の全量が極板間のガラス繊維マットに完全に吸収されている。したがって、電解液の量を確認することはできない。AGM電池を無理矢理開けると、大気中の酸素に曝されることで内部の酸素サイクルの化学的釣り合いが直ちに破壊され、電池容量と性能の不可逆的な喪失が起こる。
電池は温度が下がる程、内部抵抗が高くなる。電気抵抗が増大することで、同じ負荷がかかった時の電圧降下が大きくなり、使用可能な電池容量が減る。−18nbsp°Cでは、通常の電池容量の半分以下しか利用できない。極端な低温では、電池を取り外して、暖い屋内に一晩置くことが推奨される。
冬季はエンジンオイルの粘度が高くなってエンジンの始動により多くの電力を必要とするため、古くなった電池については冬を迎える前には氷点下の気温でエンジンを始動するために十分な容量が残っているかどうか確認すべきである。旧式の電池は、上部の栓を抜いて個々のセルの電解液をサンプリングして、比重計で電解液の比重を調べることができる。
シール形電池の場合は、開回路電圧に基づいて残存容量を見積もることができる。よく充電された電池では、充電が完了した数時間後に12.7nbspV以上あってしかるべきである。
1996年以降の鉛アンチモン蓄電池から鉛カルシウム蓄電池への切り替えが比較的注目されなかったため、問題点も生じている。自動車メーカーは鉛カルシウム蓄電池がそれまでよりも1nbspV高い充電電圧を必要とすることに対して限定的にしか対応しておらず、充電器メーカーは2020年現在のところ全く対応していない。
新型車でさえも安全側に倒して、鉛アンチモン蓄電池にとって適切だった従来の14 - 14.2nbspVの電圧(充電電圧が14.4nbspVを超えると、電極の腐食と水の電気分解が起こる)がおおむね維持されている。この充電電圧は鉛カルシウム蓄電池にとっては低過ぎるため、充電電流は低くなり、それに応じて充電により長時間が必要となる。短距離や稀にしか車に乗らないと、蓄電池が放電してしまい、サルフェーションが起こって、典型的な耐用年数の6年から10年よりも短い2年から6年しか電池が持たなくなる。
これに対応するため、新型車(いわゆる充電制御車)ではバッテリーマネジメントシステム(BMS)が徐々に採用されている。BMSは電池の充電状態を監視し、部分的に放電した電池を14 - 15.4nbspVの電圧で充電し、電池が満充電に近い状態の時は車の電気系統に13.6nbspVの電圧で電力を供給する。
正しく使用すれば、現代的な始動用電池は6年から10年の耐用年数の間メンテナンスフリーで使うことができる。これは、充電率90%以上を保って使用することを意味する。充電率が80%まで低下したら速やかに充電すべきで、80%を下回ったら直ちに充電すべきである。
1日の走行距離が50nbspkmあれば満充電することができる。短距離しか運転しなかったり、月の走行距離が50nbspkm未満の場合、電池の耐用年数を維持するためには補充電を行わなければならない。充電率はオルタネーターの電圧や電力を消費する装備、外気温によっても影響される。エンジンがアイドリングしている時、電池には通常充電は行われていない。したがって、前照灯やシートヒーターは走行中にのみ使用するべきである。停車中に室内灯やラジオを付けたままにすることも電力を消耗する。
メンテナンスフリー鉛蓄電池が充電率50%未満まで放電すると、充電時に有害な電解液の成層化が起こる。つまり、硫酸濃度と密度が高い(> 1.28 g/cm3)電解液が電池の下部に集まり、硫酸濃度と密度が低い(< 1.15 g/cm3)電解液が上部に集まる。電解液の成層化が起きると、充電率あるいは開回路電圧が誤って高く表示され過ぎるだけでなく、充電が不十分になって電池の劣化が早まる。12nbspV鉛蓄電池の開回路電圧が13.0nbspVを超えていたら、間違いなく電解液の成層化が起こっている。
計算上では満充電状態で電圧が12.84nbspVの時の硫酸濃度は約39.7%(電解液密度約1.30nbspg/cm3)であり、放電して電圧が11.4nbspVになると硫酸濃度は約6.6%(電解液密度約1.05nbspg/cm3)まで低下する
他の電池技術(例: NiCd、NiMH、LiCoO2、LiFePO4など)と比較した時の鉛蓄電池の特徴は、電解液の一部が充電ならびに放電中に電気を供給する化学反応に直接関与していることである。そのため、放電中の硫酸濃度の低下と充電中の増加を避けることができない。
一例として、満充電時に電解液密度が1.28nbspg/cm3のシール形鉛蓄電池の電解液密度を考える。完全に放電した時、密度は1.1nbspg/cm3まで落ち、半分充電された時は1.18nbspg/cm3となる。
液式鉛蓄電池の場合、満充電時の電解液密度は1.24 - 1.28nbspg/cm3が正常である。これは、この範囲で電気伝導度が最大となり、したがって出力電流が最も高くなるためである。第2世代のAGM電池ではサイクル安定性を向上させるためにわずかに高い1.30 - 1.32nbspg/cm3の電解液密度が選択された。同時に、この密度範囲で電解液の凝固点が最も低くなる(だいたい−70nbsp°C - −60nbsp°C)。次に、鉛蓄電池の開回路電圧は(温度に依存する)ネルンストの式に従って硫酸濃度から決まる。したがって、電圧を測定することで、硫酸濃度(電解液密度)と充電率を近似的に決定することができる。
今日のメンテナンスフリー電池は電解液をサンプリングして比重を測定することができないため、開回路電圧の測定が充電率を決定する唯一の手段であることが多い。しかしながら、深放電によって劣化した電池の場合は、電解液の成層化が起こって信頼できない(大抵は高過ぎる)電圧値を示すことがある。
電圧と電解液密度の間には「室温において」以下の近似式が成り立つ。
セルの電圧 (V) = 0.84 + 電解液密度(g/cm3)
したがって、6個のセルが直列接続された自動車用12nbspV鉛蓄電池の場合は、
電圧 (V) = 6 × (0.84 + 電解液密度(g/cm3))
となる。
電圧の測定は、電池を4時間ほど置いて落ち着いてから行わなければならない。
12.5nbspVがだいたい満充電の80%時の電圧であり、劣化を防ぐため電圧が12.5nbspVを下回らないようにしなければならない。鉛カルシウム電池では12.2nbspVで充電率が約50%、11.5nbspVで深放電となる。直ぐに充電すれば、元の電池容量を損わずに済む。
自動車用電池の電池リサイクルによって、新たな電池の製造に使われる資源を減らし、有毒な鉛が埋め立て地に流入しないようにして、不適切な廃棄のリスクを防ぐことができる。鉛酸電池が充電状態を保持できないようになると、使用済み鉛蓄電池(ULAB)と見なされ、バーゼル条約の下で有害廃棄物に分類される。アメリカ合衆国環境保護庁によれば、12ボルト自動車用電池は世界で最もリサイクルされている製品である。米国だけでも、年間およそ1億個の自動車用電池が交換されており、そのうち99%がリサイクルに回っている。しかしながら、規制のない環境で正しくないリサイクルが行われているかもしれない。世界の廃棄物取引の一部として、ULABは先進工業国から発展途上国へ運ばれて分解、再生されている。鉛のおよそ97パーセントは回収できる。ピュアアースは、1200万人を超える第三世界の人々がULAB処理からの鉛汚染によって病気に冒されている、と推計している。