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電池の化学 電池とは化学反応によってエネルギーを 直接に（直流）電力に変換する装置 燃焼： 化学反応 → 熱エネルギー 電池： 化学反応 → 電気エネルギー どんな化学反応か？ 酸化還元反応 酸化還元反応 酸素を受け取る 酸化反応 2 Mg O2 + 2 MgO Mg2+ Mg 還元反応 酸素を失う + 2 CuO 2+ Cu 電子を失う反応 + C - 2e + 2e- 電子を受け取る反応 2 Cu Cu + CO2 化学電池の構造 正極：還元反応（電子を受け取る）をする化合物 負極：酸化反応（電子を出す）をする化合物 電解液：負極と正極をつなぎイオンを伝え、 酸化還元反応を起こす e- 電流が 流れる Cu Zn イオン ボルタの電池 適切な 適切な金属と 金属と電解液があれば 電解液があれば電池 れるはず！ があれば電池が 電池が作れるはず！ 負極に 負極に亜鉛、 亜鉛、正極に 正極に銅、電解液に 電解液に飽和食塩水又は 飽和食塩水又は硫酸 を用いた電池 いた電池を 電池を発明 ダニエル電池 ボルタ電池 ボルタ電池を 改良、 電池を改良、 より安定 より安定して 安定して電気 して電気が 電気が流れるように マンガン電池 （ルクランシェ電池） ボルタ・ダニエルは電解液が液体で漏れやすい、 そこで、ゲル状にして漏れにくい電池を開発 正極に二酸化 二酸化マンガン 二酸化マンガンのゲル、 マンガン 負極に亜鉛 亜鉛を用いる 亜鉛 電池が開発された →ルクランシェ電池 （今の乾電池の大元） 乾電池の始まり ルクランシェ電池はゲル状で漏れにくいが内部は 液体のため低温だと凍ってしまい使えない 中身を固体にしてしまえば → 「乾電池」 乾電池」の誕生 乾電池を一番始めに作った人： 屋井先蔵 実用電池は正極、負極に使う化合物、電解液に使う化合 物を工夫して電気が効率的に流れるように開発したもの 負極（酸化） 正極（還元） 電解液 ボルタ Zn Cu 食塩水 硫酸 ダニエル Zn Cu CuSO4 マンガン Zn MnO2 NH4Cｌ Zn MnO2 KOH （アルカリ性） （ルクランシェ） アルカリ （アルカリマンガン） 黒鉛 乾電池の構造 新しい乾電池 しい乾電池： 乾電池：より長寿命 より長寿命 すなわちエコ すなわちエコ オキシライド電池 アルカリ電池の正極に オキシ水酸化ニッケル ニッケルを加えたもの ニッケル アルカリ電池よりも長寿命、起電力も1.7Ｖと高い 「新しい乾電池」として注目された、 EVOLTA アルカリ電池の正極に オキシ水酸化チタン チタンを加えたもの チタン オキシライド電池よりもさらに長寿命 世界一長持ちする単3形アルカリ乾電池」 としてギネス世界記録に認定 電池の発見による化学の発展 電気分解 水の電気分解 電気分解による新しい元素の発見 K, Na, Ca, Sr, Ba, Mg など ファラデーの法則 電気分解される物質は流れた電気量に比例する 電池の種類 一次電池：繰り返し使用しない電池 マンガン電池・アルカリ電池など 二次電池：充電して繰り返し使用可能な電池 鉛蓄電池・ニッケル水素電池・リチウムイオン電池など 充電・放電が容易な電極（金属）の選択 充電・放電が容易な電池の構造の工夫 二次電池 構造的特徴 正極と負極の接する面積を大きくすることで 効率のよい充電・放電をさせる。 板状のものを丸めて→ 一次電池 （マンガン電池） 二次電池（ニッカド電池） 小型二次電池 ニッカド電池 負極にカドミウム、 正極にニッケルを使用 なぜカドミウム？ カドミウムは周期表で Cu Ag Au Zn 上下の関係なので Cd 性質が似ている Hg ニッカド電池の特徴：大きな電流で放電できる ニッケル-水素電池 負極にカドミウムの変わり水素吸蔵合金を使う 特徴：安全 毒性も低い ハイブリットカーのバッテリー 繰り返し使える乾電池 ２次電池 電極の工夫 正極 アルカリ電池 負極 二酸化マンガン 亜鉛 電解液 水酸化カリウム ニカド電池 水酸化 ニッケル 水酸化 カドミウム 水酸化カリウム ニッケル水素 電池 水酸化 ニッケル 水素 吸蔵合金 水酸化カリウム リチウムイオン電池：最も多く使われている電池 負極にリチウムを用いる リチウム： 原子の大きさが小さい（水素、ヘリウムの次） イオン化傾向が一番大きい（酸化反応をしやすい） 同じ大きさでたくさんの電気をためることが出来る → 小型化が可能 乾電池と環境問題 乾電池：比較的安価で環境負荷も低い金属を 用いている（Ｍn、Ｚｎ） 水銀ゼロ 積極的なリサイクルはせず、不燃ゴミとして 環境影響がないように処分 しかし、３つのＲの観点から： リデュース：より長持ちのアルカリ電池の使用 EVOLTAのような長寿命型電池 リユース：使い切りではなく、 何度も使える乾電池型充電池の利用 エネループのような乾電池型ニッケル水素電池 二次電池と環境問題 二次電池：環境負荷が高い金属（Ｃｄ、Ｐｂ） 希少金属（Ｌｉ、水素吸蔵合金） リサイクルで省資源・環境負荷低減