👨‍🏫 13. エネルギー変換と化学―一次電池と二次電池ー－

LCCM住宅（ライフ・サイクル・カーボン・マイナス住宅）とは、ZEH（ネット・ゼロ・エネルギー・ハウス）よりさらに省CO2化を進めた先導的な脱炭素化住宅で、建設時、運用時、廃棄時において出来るだけ省CO2に取り組み、さらに太陽光発電などを利用した再生可能エネルギーの創出により、住宅建設時のCO2排出量も含めライフサイクルを通じてのCO2の収支をマイナスにする住宅です。 ※

V2Hとは、 電気自動車の電池を、 住宅の電池(ESS)にリユース することです。 電気自動車の 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。

しかし安全に リユース するには、バッテリーのインスペクションが欠かせません。

• 技術者倫理06.未来へ向けて－地球温暖化と人口爆発－
• 国土交通省、気象庁 二酸化炭素濃度の経年変化 https://ds.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html

ヒト、カネ、モノ、情報、エネルギー。 サプライチェーンの役者たちは、とまっているか、動いているか。

時間。 静的か、動的か。 ためておくか、動かすか。 平衡論か速度論か。 コンデンサか抵抗か。

動かすにはエネルギーが必要。

エネルギーは、 物質の 物性や、物質の 界面の特性を利用して 変換できます。

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。

電池では、 サイズで とりだせるエネルギーがかわります。

理想的なコンデンサ（キャパシタ）では、電圧は電気量に比例します。 その比例計数が静電容量です。 理想的な電池では、電圧は一定です。なので静電容量は∞です。 実際の電池では、電池の起電力が、正極、負極の、活物質の残量モル数で 変化します。

静電容量が発生する要因としては、 バルクの 金属の 静電誘導、 バルクの誘電体の 誘電分極、 界面の電気二重層、 界面の配向分極があります。

錆びにくい金属を貴金属と言います。 イオン化傾向は、金属と金属イオンの平衡反応の酸化還元電位に関係があります。 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。

１０円玉と１円玉とを 負荷でつなげば、電流が流れます。 このとき、電圧は電池の起電力より下がります。 １円玉付近のｐＨは低下し、１０円玉付近のｐＨは上昇します。

イオン化傾向の大きな物質（還元体、燃料、負極）と、小さな物質の組み合わせ（酸化体、酸化剤、正極）です。

電池から電流を取り出すことを放電と言います。 充電できる電池を二次電池または蓄電池と言います。 ^{6 )}

エネルギーは、電圧×電気量で、電気量は電池に詰め込む物質量で決まるので、エネルギー密度を上げようと思ったら、 電池の起電力 を大きくするしかありません。

今日、実用電池と呼ばれるもののほとんどが、 正極活物質には金属酸化物を、 負極活物質 に亜鉛を用いていること、電解液には アルカリ溶液（KOH）を用いること、 電池の名称に正極活物質の金属名を利用していることなどがわかる。 ^{7 )}

鉛電池（Pb酸）はこれまで二次電池の主役を果たしてきた。その最大の理由は電池構成材料コストの低廉さにある。 ^{8 )}

電池の単位重量当たりの電気エネルギーを重量エネルギー密度、 電池の 単位体積当たりの電気エネルギーを 体積エネルギー密度 と言います。

重量エネルギー密度や 容量、サイクル寿命などは、電池の 性能の指標です。

エネルギーは、電圧×電気量で、電気量は電池に詰め込む物質量で決まるので、エネルギー密度を上げようと思ったら、 電池の起電力 を大きくするしかありません。

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

電池式 ： アノード (-) Zn |KOH | MnO₂, C| Ni (+) カソード

リチウム電池

固体の酸化剤の 二酸化マンガンと導電助剤の炭素で、 合材を作り、 電解液をほとんど感じさせない程度に、ぱさぱさした電池。 ダニエル電池 と違って、横にしても電解液がこぼれません！

水溶液系の電池の 燃料 負極活物質 は、自己放電しないように 水素過電圧の大きな 亜鉛が使われます。 亜鉛を缶（ 容器）にし、 セパレータに紙を敷いて、正極合材を充填し、集電体として炭素棒を突き刺します。

1950年ごろには、より導電率の大きなアルカリ溶液を電解液に使った アルカリ乾電池が発明されます。 水溶液系の電池は、ほとんどがアルカリ溶液の電解液と亜鉛の負極活物質の組み合わせです。

1950ぐらいから。

物質は、 様々な状態を取ります。 物質のほとんどは 不均一混合物です。 コロイド や、 粉体と分散媒の混合物はスラリーと呼ばれることがあります。スラリーは 流体 の性質を持ちます。

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電池の電圧V_oは、電池の起電力V_e.m.f.から、過電圧ηを引いたものです。

もし、過電圧ηが、電流に比例するなら、その比例係数は、 内部抵抗rと呼ばれます。

電池の負荷をつないでいないときは、電流が流れていないため、その電圧は 電池の起電力になります。 これを開回路電圧（OCV）と言います。電流が流れていないため、取り出している電力も０です。 電池に負荷をつないで、電流を取り出すと、内部抵抗のため、電圧降下が起きます。 これを閉回路電圧（CCV）と言います。閉回路電圧（CCV）が０のときの、電流を短絡電流と言います。 電池から短絡電流以上の電圧を取り出すことはできません。 また短絡電流が流れているときは、電圧が０のため電力も０です。 よって、電力が最大のときは、短絡電流の半分の電流が流れているときです。

電池は、化学エネルギーを 電気エネルギーに 変換します。

イタリアの解剖学者Lugi Galvani(1737-1798)は、蛙の解剖に端を発した二つの異種金属を接触させたときに流れる電流を動物電気と称した(1979)。 この現象は直ちに同国のAlessandoro Count Volta(1745-1827)により追試され、ボルタの電堆として実証された（1800年3月）。 Galvaniの業績をたたえてこの種の電池を ガルバニ電池と呼んでいる。

小沢昭弥ら、 現代の電気化学 ^{17 )}

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。

© 2012 HPC, NCV, K.Tachibana ^* C1 Lab.

アルカリ乾電池１本の エネルギーは、おおよそ 5kJです。 ロウソクの エネルギーは、250kJです。

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燃料電池自動車は、燃料電池で電気を作り、 モーターを回して走る。 「MIRAI」に搭載された燃料電池は、 水素を燃料にする酸素水素燃料電池だ。 タンクに充填された 水素は電池の 負極活物質で、 水電解の逆反応を使う。単セルの 起電力は室温で 1.2V。それを370セルつないで1スタックとする。

しかし、現状では、水素は化石燃料を 水蒸気改質して作る。 水素を水電解で作ったとしても、水電解のための電力は 化石燃料から作る。

触媒に使う白金もいずれ 枯渇する。

全体的な本質から見れば、 燃費／電費を改善するには、やはりタイヤや機械による熱損失を下げるしかなさそうだ。

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材料だけ作って物性の評価結果に期待ができても、電池として期待できるとは限りません。 電極としての複合化が未解決であれば、電池にはなり得ないのです。 界面を作り込んでなんぼの電池です。

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．

キャンパスのユーティリティとしての 学術情報基盤センターが消費する電力。

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

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電池式 ： アノード (-) Cu | C₆Li_x | LiPF₆/EC+DEC | Li_1-xCoO₂ , C | Al (+) カソード

※充電式電池では、充電時にカソードとアノードが入れ替わります。

リチウムイオン二次電池 では、 正極活物質も 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。

電極は、活物質のほかに、集電体、導電助剤、バインダーなどの 材料が含まれます。

電池の内部抵抗 が大きくなると、カットオフ電圧に到達する時間が短くなり、電池の容量が小さくなります。 電池の内部抵抗 は、溶液抵抗（ 抵抗過電圧）と接触抵抗からなります。 接触抵抗は、オーミックコンタクトでは、固体間接触の集中抵抗からなり、 またショットキーコンタクトでは、反応抵抗（ 活性化過電圧）や皮膜抵抗となります。 SOCの推定に使われます。

充電や放電での電池管理(BMS)では、 カットオフ電圧の検知が大切です。 カットオフ電圧が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。 電池の内部抵抗は、 正極、負極、電解質の 過電圧によります。

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◇ 参考文献