ニッケル水素電池の仕組み
ニッケル水素電池（NiMH）は、ニッケル水酸化物でできた正極と水素を吸収する合金でできた負極を持つ充電式バッテリーです。1989年に商業的に導入され、当初は携帯型パーソナルコンピューターの電源として主に使用されました。それ以来、ニッケル水素電池システムは、ハイブリッド電気自動車で非常に人気があり、充電式電池市場の10％を占めています。ニッケルカドミウム電池（NiCd）と比較して、ニッケル水素電池は40％高い比エネルギーを提供し、約2倍の容量を持っています。ニッケル水素電池は電圧うつ病の影響も少なく、主な利点は有毒なカドミウムがないことです。ニッケル水素電池のメモリ効果はニッケルカドミウム電池よりもはるかに少ないです。
ニッケル水素電池の化学
典型的なニッケル水素電池セルには以下が含まれます：
カソード：ニッケル(III)酸化物-水酸化物の正極プレート
アノード：金属水素化物（水素吸収合金）
セパレータ
電解質：アルカリ電解液（水酸化カリウム）
NiMHセルの負極の金属Mは、金属間化合物です。この用途のために、多くの異なる化合物が開発されています。ニッケル/水素電池の負極材料の研究は、AB5、AB2、ABのいくつかの合金ファミリーに関与しています。この表記では、Aは水素に強い親和性を持つ金属元素（通常は希土類元素、例えばランタン、セリウム、ネオジム、プラセオジムなど）、Bは水素との弱い親和性を持つ金属元素（通常は遷移金属、例えばニッケル、コバルト、マンガン、アルミニウムなど）を表します。今日、AB5型金属間化合物に基づく水素化材料は、最も汎用性があり、商業的に重要な可逆水素化合金のファミリーです。電極目的のための最適な組成は、以下の組成の合金で見つかりました：MmNi3.55Mn0.4Al0.3Co0.75 ここで、Mmはミッシュメタルと呼ばれる希土類元素の合金です。これはセリウムミッシュメタルまたは希土類ミッシュメタルとも呼ばれます。典型的な組成には、セリウムが約55％、ランタンが25％、ネオジムが15〜18％、その他の希土類金属の痕跡が含まれています。
NiMH円形セルの層構造は図で見ることができます。外側の穿孔された箔は、負極を形成する金属水素化物粉末のキャリアとして機能します。放電中、金属水素化物MHに結合された水素は、酸化されてプロトンと0酸化状態の金属が生成されます：MH + OH– → M + H2O + e– その結果生じるプロトンは、KOH溶液のOH–水酸化物イオンと反応して水を形成します。酸化還元電位は約 -0.83 Vです。セパレータは電解質、20％KOH溶液を保持し、正極との直接接触を防ぎます。カソードは、ニッケル水酸化物とニッケル酸化水和物のシートで構成されています。ここでは、酸化数+IIIのニッケルが酸化数+IIのニッケルに還元されます：NiO(OH) + H2O + e–→ Ni(OH)2 + OH– 放電中の全体的な反応は以下の通りです：NiO(OH) + MH → Ni(OH)2 + M このプロセス中に、自由電子が束縛されるため、この極は正極になります。還元の酸化還元電圧は約0.49 Vです。したがって、酸化還元反応の全体的な電圧はE0 = 0.49V – (-0.83V) = 1.32Vです。ニッケル水素電池の比エネルギーは約80 Wh/kgで、アルカリ電池とほぼ同等であり、ニッケルカドミウム電池の2倍以上です。ニッケル水素電池は、過充電、過熱、極性の誤り、および深放電に敏感です。
