HOME 教育状況公表 令和3年5月6日

13.エネルギー変換と化学―一次電池と二次電池ー-

山形大学  工学部  化学・バイオ工学科  仁科辰夫・立花和宏

エネルギー化学 Web Class syllabus 53209 10:30-12:00 仮想教室中示範B C1

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エネルギーと ネットがつながりつつあります。 電池物質とエネルギーを橋渡しするものだとすれば、 ネットは情報を橋渡しするものです。

情報網電力網をあわせたスマートグリッド構想が進んでいます。限りある資源を賢く使う時代です。


電池と生活

蓄電池 ソーラーパネル 太陽エネルギー 二酸化炭素 電気自動車
低炭素住宅 とV2H

リモコン、 マイクロモビリティ 超小型モビリティの導入・運行に当たって


電池とエネルギー

電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するデバイスです。

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 エネルギーの変換
化学 電力 動力
化学 電池 ◇ 鉄砲 (火薬) ◇ 化学発光 ◇ 暖炉
電力 ◇ 畜電池 (電解 ◇ モーター ◇ LED ◇ ヒーター
動力 ◇ 高圧合成 ◇ 発電機 ◇応力発光 ◇ ヒートポンプ
◇ 光合成 ◇ 太陽電池 ◇ 電子レンジ
◇ 加熱合成 ◇ 熱電変換 ◇ 熱機関 ◇ 白熱電球

電気エネルギー=電圧×電気量

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電気量と電圧と静電容量の関係
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_02/VoltageElectricity.asp

固定価格買い取り制度、 H2V マイクロ水力発電の 問題点 揚水式なならどうよ。 マイクロ水力発電 フライホイールもあるよ。エネルギー密度低いよ。

重量エネルギー密度=エネルギー÷重量

エネルギー=電池の起電力× 電池容量(支配活物質)

電池容量(支配活物質)=支配活物質の物質量×反応に関与する電子数


電気量=ファラデー定数×物質量×電子のモル数

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電析
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_05/Electrodeposition.asp

電池の起電力=化学ポテンシャル÷電子のモル数

物質と物質が接触すると、反応したがっている気持ちが電位となって現れます。 これを電池の起電力と言います。

Example fillrule-evenodd - demonstrates fill-rule:evenodd -3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53 Al Fe Zn Cu Li
イオン化傾向

実用電池

" -3.5" " -3" " -2.5" " -2" " -1.5" " -1" " -0.5" " 0" " 0.5" " 1" " 1.5" " 2" 電位 E / V vs. NHE " Zn " Cu " ダニエル電池 " Ag|AgCl " Li " Zn " MnO2 " マンガン電池 " H2 " O2 " 燃料電池 " Li " LiCoO2 " LIB
実用電池

実用金属のほとんどが正極活物質に金属酸化物、負極活物質に亜鉛、電解液にアルカリ溶液が使われている。それはなぜか?


二酸化マンガンの還元(アルカリ乾電池)

 電池の種類
電池 電池式 性質や特色
歴史的電池 ガルバノ電池
(ボルタ電堆)
Zn|H2SO4aq|Cu 銅は単なる集電体。正極活物質は酸素。
ダニエル電池 Zn|Zn2+||Cu2+|Cu
一次電池 乾電池 * Zn|MnO2 負極活物質亜鉛は両性金属なので、アルカリに溶けてしまう。
リチウム電池
二次電池 リチウムイオン電池
鉛電池 鉛は両性金属だが、硫酸には溶けない。
ニカド電池 * Cd|Cd(OH)2|KOH aq|NiOOH 亜鉛と違って カドミウムは両性金属でないのでアルカリに溶けない。
ニッケル水素電池 MH|KOH aq|NiOOH 水素吸蔵合金はアルカリに溶けない。
エネルギー化学特論 無機工業化学 エネルギー化学

電池の体積=寸法できまる。

支配活物質の体積+従属活物質の体積+その他の部品の体積

電池には長い 歴史があります。 中でも乾電池ときたら横にしても液がこぼれないんですから!すごいですねー、便利ですねー。 ここではその原理をビーカーセルで学びます。

電気エネルギーと物質~電池の系譜~

27 電池

コイン電池アルカリマンガン乾電池リチウム電池鉛電池と紹介します。千秋ちゃんの「セル組み♪」が見どころ。

宇宙へ行った電池

【製品】発光ダイオードを明るく長持ち、 アルカリマンガン乾電池 正極活物質として、電解二酸化マンガンを用いる。活物質30mgにグラファイト30mgを良く混ぜ、 テフロン分散液を専用駒込めピペットで2~3滴加えて乳鉢上で良く混練し、 ラバー状とし正極合剤とする。正極集電体としてニッケル(Ni)を用い、 この集電体の先端に正極合材を落ちないようになすりつけて試料電極とする。 電解液に9M KOH5mLをビーカーに入れ、対極に亜鉛(Zn)を用いて電池を作成する。 この電池を2個直列繋ぎにし、並列繋ぎにした発光ダイオードを点灯させ、時間とともに電圧がどのように変化するかを記録する。 濃アルカリが眼に入ると失明の恐れがあるので保護眼鏡などを着用して実験する。 /

Ni | MnO2 ,C | KOH | Zn ?設問:取り出せたエネルギーは何Jか? それは活物質の量に対して何%か? ?設問:実用化されている電池の種類とそれらの電池を利用する工業製品をあげよ。 正極合材の調整(左図) 電解セル(中央図) 点灯したLED(右図)

電気エネルギーと物質~電池の系譜~

ピカッとさいえんす 宇宙へ行った電池 現代の電気化学、p.75 最新工業化学、p.44

アルカリ乾電池の構造を図解し、写真に撮ってアップロードしなさい。


二次電池

リチウム電池を二次電池にする工夫について述べなさい。

反応前後の体積変化、エントロピー変化

競合反応存在、不可逆性、電流効率

平方根測

充放電曲線
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電池の充放電曲線
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_13/ChargeDischarge.asp

電池の状態

電池効率

豆電球を点灯したときの電池の電圧降下を実測しよう。

リチウムイオン二次電池の電圧効率、電流効率について議論し、電池効率を向上させるにはどうしたらいいか述べなさい。

©2021 Kazuhiro Tachibana

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エネルギー化学
  1. 量と単位-自然界を測るものさし-
  2. エネルギーと生活-動力と電力-
  3. 材料と電気-化学結合の種類-
  4. 電気と化学―電池と豆電球のつなぎ方と電流・電圧の測り方―
  5. セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
  6. 電気分解とファラデーの法則―銅クーロメーターと電気めっき―
  7. 電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式―
  8. 分解電圧―電力効率とターフェルの式―
  9. 測定法-ボルタンメトリーと交流インピーダンス法-
  10. センサーと情報変換-pH電極、参照電極-
  11. 表面処理とアノード酸化―アルマイトと不動態-
  12. 印刷とフォトリソグラフィー―エッチングと腐食―
  13. エネルギー変換と化学―一次電池と二次電池ー-
  14. 自然との共生―バイオと光-
  15. エネルギーと情報-ディスプレイとエレクトロニクス―


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