HOME 教育状況公表 令和4年5月29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

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

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

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

V2Hとは、電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)のかわりに使うことです。 電気自動車電池容量は、 40kWh程度とすれば、住宅の電池10kWhの4世帯分に相当します。

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


  1   備蓄と輸送
状態 備蓄 輸送
モノ 野積み(固体)、タンク(液体)・ボンベ(気体) 拡散、対流
エネルギー 電池 送電
情報 ダウンロード・記録 ストリーミング配信・ 通信
カネ 預貯金

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。

  2  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 蓄電池 電解 ◇ モーター
🔊スピーカー
◇ LED ◇ ヒーター
Q=I2R
💪動力 ◇ 高圧合成 ◇ 発電機
🎤マイク
◇応力発光 ヒートポンプ
pV=nRT
🌟 光合成 ◇ 太陽電池 蛍光 電子レンジ
🔥 ◇ 加熱合成 ◇ 熱電変換 熱機関
pV=nRT
◇ 白熱電球
黒体放射
01.エネルギー化学 13.エネルギー化学 15.エネルギー変換特論 0216
  3   電気エネルギー (電力量)
モノ 電気エネルギー/ kWh
一日あたりの 住宅 11 *
スマホ 1回充電 0.001
自動車 40
かつ丼 1

エネルギー(電力量・ワットアワー)と仕事率(ワット)は違います! 蓄電池の電池容量は、電気エネルギ―です。


電気エネルギー=電圧×電気量

100
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

98
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 -3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.50.00.51.01.52.02.53.0 Al Fe Zn Cu Li
  2
イオン化傾向
©K.Tachibana

電位が卑なほど、 腐食しやすく、 還元しにくくなります。 電位が貴なほど、 腐食 しにくく、還元しやすいです。


実用電池

" -3.5" " -3.0" " -2.5" " -2.0" " -1.5" " -1.0" " -0.5" " 0.0" " 0.5" " 1.0" " 1.5" " 2.0" 電位 E / V vs. NHE " Zn 中性 " Cu " ダニエル電池 " Ag|AgCl " Li " Al " Zn アルカリ性 " MnO2 " マンガン電池 " H2 " O2 " 燃料電池 " Li " LiCoO2 " LIB
  3 実用電池 での電極の組み合わせと起電力
13.エネルギー化学 13.無機工業化学 現代の電気化学p.68 無機工業化学p.46 11円電池

イオン化傾向の大きな物質と、小さな物質の組み合わせです。


実用電池の種類

  4 実用電池
電池の種類 サイズ 重量 容量 公称電圧 エネルギー 重量エネルギー密度 体積エネルギー密度 形状
リチウムイオン電池 Φ 18.3mm × 65mm 44g 2.4Ah 3.7V 8.88Wh 201Wh/kg 21000000Wh/L 18650
アルカリマンガン電池
* *

  5 アルカリマンガン乾電池 (実用電池) の放電
電池式 Zn | KOH | MnO2 , C | Ni
カソード 反応(正極) 2MnO2+ 2H2O+ 2e- → 2MnOOH+2OH-Eº = 0.215V
アノード 反応(負極) Zn(OH4)2- +2e- ← Zn+4OH-Eº = -1.285V
全反応 2MnO2+ Zn+ 2H2O+ 2OH- → 2MnOOH+ Zn(OH4)2-
電池の起電力 Eº = 1.5V
理論容量 電力原単位 224.0mAh/g
理論重量エネルギー密度 336.0mWh/g
形状・寸法 円筒(AM3、AM4)、ボタン(LR44)
用途 リモコン、電動ハブラシ、玩具、懐中電灯、時計

1950ぐらいから。

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)

  4  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+aq||Cu2+aq|Cu 正極活物質と負極活物質が分離。集電体は反応系を兼用
一次電池 乾電池 * Zn|NH4Claq|MnO2,C|C 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。
1950 アルカリ乾電池 Zn | KOHaq | MnO2,C | Ni
1970 リチウム電池 Li | LiClO4,PC | MnO2,C | SUS304
二次電池 1991 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。
04.エネルギー化学特論 13.無機工業化学 13.エネルギー化学 1224 0216
https://www.baj.or.jp/battery/knowledge/structure.html
https://hr-inoue.net/zscience/topics/battery1/battery1.html https://hr-inoue.net/zscience/topics/battery2/battery2.html

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

情報技術とエネルギー

  6 情報を維持するのに必要な エネルギー
種類説明
情報 100TB 動画(約120分)×1000本×100人ぐらい
2TB×40+4TB×12+600GB×17, キャッシュ用SSD
最大電力 1600W 設計最大消費電力,家庭用 電子レンジ2台分
実測電力 1600W ←設計最大消費電力(DB接続不可のため)
年間電力量
(電気エネルギー)
14025.6kWh
年間電気代 420768円 1kWhあたり30円で算出
年間排二酸化炭素 7.2792864t 東北電力の基礎排出係数0.000519tCO2/kWhより算出
ソーラーパネル面積 24㎡ 1kWあたりに必要なおおよその面積を15㎡として算出
リチウムイオン電池 15kWh 家庭用蓄電池1台分
学術情報基盤センター https://ftp.yz.yamagata-u.ac.jp/運用実績より。 通信速度は、実質1Gbps平均です。設計上の最大速度は5Gbpsです.

備忘。 7号館のパネルの面積は,忘れました.図面見て計算します. 10kW分のパネルです.7号館は,10kWのシステムが4台,並列でつながっています<パワコン4台 そのうちの1台が 学術情報基盤センター 米沢分室に送電されています.太陽光の電池は, リチウム電池15kWhです44,730,000円


リチウムイオン二次電池

51 リチウム電池の模式図
©K.Tachibana Copyright all rights reserved.

リチウムイオン二次電池 では、 正極活物質負極活物質も、 固相反応にすることでカタチが変形を最小限にしています。 しかし、反応生成物の化学組成が違う以上、密度が変化するので、カタチの変形から逃れることはできません。 カタチの変形によって、固体と固体の 接触状態が変わるため、 電池の内部抵抗の増大の原因になります。


リチウムイオン電池

  7 リチウムイオン電池 実用電池
電池式 組み立て後:Cu|C|LiPF6 EC+DEC|LiCoO2,C|Al
充電後:Cu|C6Li|LiPF6 EC+DEC|□CoO2,C|Al
負極 反応 6C+Li++e-←C6Li Eº = -3V
正極 反応 LiCoO2←Li++e-+CoO2 Eº = 0.7V
全反応
起電力/V 3.7
理論重量容量密度
理論容量 電力原単位
/mAh/g
157.7mAh/g
理論重量エネルギー密度
/mWh/g
583.5
形状・寸法 円筒型 、ラミネート型
用途 住宅自動車スマホ
04.エネルギー化学特論 13.エネルギー化学
F=96485.33212331

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
197
電池の充放電曲線
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https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_13/ChargeDischarge.asp

電池の状態

電池効率

電池の内部抵抗と充放電曲線

  5 198 🖱 電池の内部抵抗と充放電曲線
©K.Tachibana
13.エネルギー化学 1217 1224 0216

充放電の上限電圧と下限電圧の例

  8   リチウムイオン電池 充放電の上限電圧と下限電圧の例
電圧 内容
危険 5.00 安全弁解放
4.25 保護回路作動電圧
注意 4.20 使用上限電圧
適性 4.15 カットオフ上限電圧
3.30 カットオフ下限電圧
注意 3.00 使用下限電圧
危険 2.40 保護回路作動電圧
🖱 電池の内部抵抗と充放電曲線

0.01V違うと、副反応のリスクが急激に増大します。 特に ADCの精度が低いと危険です。

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。

©2022 Kazuhiro Tachibana

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False
  1. 受講にあたって
  2. 量と単位-自然界を測るものさし-
    • 電力と電力量
    • エネルギーの単位-ワットアワーとジュール-
    • 量の歴史と単位
    • 測定値と精度、有効数字と概数
  3. エネルギーと生活-動力と電力-
    • 生活―暖房・給湯と熱量―
    • 自動車と動力(HEV・EV・E2H)-燃費から電費へ-
    • 情報とエネルギー
  4. 材料と電気-化学結合の種類-
    • 電子伝導とイオン伝導-キャリアの種類-
    • エネルギーと物質
    • 電気を流す固体と流さない固体-金属、半導体、固体電解質-
    • 電子伝導とイオン伝導-キャリアの種類-
    • 電気を流す液体と気体-溶融金属、溶融塩、電解液、プラズマ-
    • 電気の流しやすさ-導電率、濃度、移動度-
  5. 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―
    • 電気用図記号と回路図
    • 回路計・オシロスコープの基礎知識
    • 電流・電圧の測り方(コンセントの電圧は?)
    • ポテンショガルバノスタットの使い方
  6. セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―
  7. 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―
  8. 電池の起電力―銀塩化銀電極とネルンストの式―
  9. 分解電圧―電力効率とターフェルの式―
  10. 測定法-ボルタンメトリーと交流インピーダンス法-
  11. センサーと情報変換-pH電極、参照電極-
    • 参照電極
    • pH電極
    • センサー
    • イオン選択性電極
  12. 表面処理とアノード酸化―アルマイトと不動態-
    • 不動態
    • ステンレス
    • アルマイト
    • アノード酸化
  13. 印刷とフォトリソグラフィー―エッチングと腐食―
    • エッチング
    • フォトリソグラフィー
    • 印刷
    • リードフレーム
  14. エネルギー変換と化学―一次電池と二次電池ー-
    • 電池と生活
    • 電池とエネルギー
    • アルカリマンガン電池
    • 充電式電池-鉛電池とリチウムイオン電池-
  15. 自然との共生―バイオと光-
    • 電気泳動
    • 光合成
    • 光触媒
    • 太陽電池
  16. エネルギーと情報-ディスプレイとエレクトロニクス―
    • エレクトロクロミズム
    • 液晶ディスプレイ
    • 情報とエネルギー
    • 生命と情報と物質


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