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🌡️ 📆 令和6年7月22日
無機工業化学 戻る 進む 別窓で開く

13. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―

山形大学  理工学研究科(工学系)  化学・バイオ工学科  🔋 C1 伊藤智博 📛 立花和宏

  1 サツキとメイの家

©2005-2022 STUDIO GHIBLI Inc.
作品の静止画の使用を認めてくださっているジブリ様に深く感謝申し上げます。

  2 サツキとメイの家
©2010 K.Tachibana

古民家では、 木材が痛まないよう囲炉裏から出る煤を使っていました。 洋館では、木材が痛まないよう 亜鉛華 を使ったペンキ(塗料)使われます。

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。


マッチとロウソク

廃れてゆく技術がある。マッチと銀塩写真は無機工業化学の最高傑作であったが、その歴史は幕を閉じたと言っていい。

  1 火の歴史
西暦 出来事
ものさし長さ
1604 ガリレイ(伊)落体の法則を発見、地動説を発表。
振り子時計 ( ⏱ 時間)
リンを発見。
温度計 ( 温度)
1800 ボルタ(独)ボルタ電堆
1827 マッチ
20世紀
1903 オーストリアの科学者・発明家であるカール・ヴェルスバッハがセリウム70%鉄30%の合金(フェロセリウム)の発火石を発明。
1961 日本の吉永プリンス株式会社が、国産ガスライター
1970 電子ライター 電池式、圧電素子式
13 無機工業化学 ライター

  2 危険物
類別/性質 小分類
第一類
酸化性固体
塩素酸塩類 🚂 マッチ頭薬 *
過塩素酸塩類
無機過酸化物
亜塩素酸塩類
臭素酸塩類
硝酸塩類
ヨウ素酸塩類
過マンガン酸塩類
重クロム酸塩類
第二類
可燃性固体
硫化リン
赤リン 🚂 マッチ側薬 *
硫黄
鉄粉
金属粉
マグネシウム
その他のもので政令で定めるもの
前各号に掲げるもののいずれかを含有す るもの
引火性固体
第三類
自然発火性物質及び禁水性物質
第四類
引火性液体
特殊引火物
第一石油類 アセトン、ガソリン
アルコール類
第二石油類 灯油、軽油
第三石油類 重油
第四石油類
動植物油類
第五類
自己反応性物質
第六類
酸化性液体
過塩素酸
過酸化水素
硝酸

可燃性、引火性、爆発性の物質の使い方を誤れば、火災や爆発とそれに伴う火傷や負傷が起こる可能性がある 1 )


原始的な火起こしに挑戦

燧石

2分で出来る。天ぷら油ランプの作り方

THE MAKING (264)ろうそくができるまで
THE MAKING (93)電球ができるまで
マッチクラブ解散 マッチコレクション 日東社

放電管-ネオンランプ、蛍光灯-


銀塩写真と写真乾板

  3 銀塩写真と写真乾板
© 2013 K.Tachibana , C1 Lab.

応用化学科展示室 写真乾板

で、銀イオンを還元して、像を作ります。 デジタルカメラが普及して、銀塩フィルムが姿を消したせいか、 指導要領から割愛されました 2 )


カメラ

  3 🎥 カメラ ( 入力装置 )
項目
銀塩写真
デジタルカメラ
無機工業化学
🔊
  4 【音声テスト】 米沢高等工業学校校歌

光学的な情報を、 画像 として 記録 します。

写真技術は 江戸時代に開発され、平成時代でデジタルカメラに置き換わりました。

カメラは 情報の記録だけでなく、 センサー として、 位置、形状、寸法、姿勢の 制御にも使われます。


電池と 日用品


生活と電池

  4   生活と電池バッテリー
工業製品 システム 電池の種類
住宅 据え置き型電池(卒FIT)(ESS/BESS * LIB 、建物付属の蓄電池電源設備としての法定耐用年数は6年。
スマホ 内蔵 充電式電池( LIB
PC UPS LIB
自動車 駆動用 LIB ニッケル水素( モノポーラ、バイポーラ)
自動車 始動用 鉛電池(モノポーラ、バイポーラ)
リモコン 乾電池 ×2 乾電池
電動歯ブラシ 乾電池
時計 乾電池

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。

電池の値段
蓄電池システムの基礎
UPSとESS
UPSとESS

  5   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。


電池の状態
  6  ブラウザからアクセスできるPCやスマホ電池の状態
項目 説明
残量(SOC 3 ) 4 ) バッテリーの貯蓄率(%)として 読み取り可能。 満充電時から測定した放電容量ではなく、 公称容量[Ah]を使用する場合があります。 またSOC- OCV曲線から推定することもあります。容量維持率とも。
満充電までに必要な時間 秒単位で 読み取り可能=電池の 内部抵抗と充電電圧から計算
枯渇するまでの残り時間 秒単位で 読み取り可能= 残り容量/(消費電力/公称電圧)
劣化率(SOH 5 ) 現在、未対応 状態監視保全のために必要。
電圧 現在、未対応 公称電圧より大幅に下がった場合、 緊急保全が必要。 内部短絡などの恐れも。
内部抵抗 現在、未対応
温度 現在、未対応、過熱時のアラート発生に必要。
湿度 現在、未対応
結露 現在、未対応、水没時の短絡などアラート発生に必要。

PCや スマホの電池の状態は、ブラウザからアクセスできます。いずれ、自動車や 住宅の電池の状態もブラウザからアクセスできるようになるでしょう。 バッテリの状態はjavaとhtml5で読み取ります。 バッテリーでユーザー追跡可能になります。 この電池は誰が作ったのか、逆追跡も可能になるでしょう。


🚂 日用品 🚂 電池 、センサー 介護とロボット IoT

エネルギー変換特論 電気エネルギーと物質~電池の系譜~

  5  電池の種類
電池 電池式 性質や特色
歴史的電池 1800 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 1888 乾電池 6 ) Zn|NH4Claq|MnO2,C|C 正極活物質に酸化物(固体)とバインダーを採用。正極合材。 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 有機電解液 採用。
二次電池 1991 リチウムイオン電池 7 ) (-) Cu | C | LiPF6,EC+DEC | LiCoO2,C | Al (+)
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。
https://www.baj.or.jp/battery/knowledge/structure.html 8 ) 9 ) 10 )

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 11 )

懐中電灯やラジオだけでなく、スマホの充電用に 災害向けのポータブル電池もあります。

JVC災害用電池
  7 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-
起電力/V Eº = 1.5V (公称電圧)
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。

電池工業会電池の歴史


物質化学工学実験Ⅱ 二酸化マンガンの還元(アルカリ乾電池)

宇宙に行った電池

  6 宇宙に行った電池
© 2006 K.Tachibana , C1 Lab. HPC, NCV

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。

小林卓巨

ピカッとさいえんす 宇宙へ行った電池


実用電池での活物質の組み合わせと起電力

" -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 " Zn " NiOOH " ニッケル亜鉛 " Pb " PbO2 " 鉛電池 " H2 " O2 " 燃料電池 " Li " LiCoO2 " LIB
  7 実用電池 での電極の組み合わせと起電力
07 13 エネルギー化学 無機工業化学 svg 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。

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。 12 )

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。 13 )

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。 14 )

IoT 活用の アマゾン ダッシュボタン 出典: スマショップ通信:日用品通販の節約・便利メディア
乾電池 を利用する自動ディスペンサー 出典: ミューズ

乾電池は酸化マンガン(Ⅳ)と 炭素材料の粉末をペースト化して正極合材とし、亜鉛缶に詰める。そこに集電体の炭素棒を突き刺す。 リチウムイオン電池は、アルミニウムの集電体にコバルト酸リチウムと炭素材料の粉末を合材 スラリーにして塗布・乾燥し、正極とする。 電池の製造には、材料ばかりでなく、混合、塗布、乾燥などの技術が必要となる。

リチウム電池 マモリオは位置情報を使ってなくし物をなくす( 出典: mamorio

山下正通、小沢昭弥 現代の電気化学 電池とエネルギー , 丸善, , (2012).


二次電池とキャパシタ

二次電池には鉛電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン二次電池などがある。

鉛電池を使ったUPS (出典:オムロン
鉛電池の構造 (出典:日立化成

鉛電池は自動車やフォークリフト、UPSなどに広く利用されている。鉛電池は リサイクルが進んでいる電池です。 自動車のバッテリーの電圧モニタリングしてみよう。

コンパクトソーラーライト(生産終了) (出典:パナソニック

太陽電池で発電した電池はどこかにためる必要がある。 ニッケル水素電池は充電式電池として広く利用されている。 東日本大震災で売り出されたソーラーライトは、生産終了してしまった。 それはどのような理由が考えられるか?

1000mAhのお手軽モデルに充填されている 水酸化ニッケルは何グラムか?


野村正勝・鈴鹿輝男 最新工業化学 ―持続的社会に向けて― 第3章 講談社サイエンティフィク

音楽プレーヤーを支える材料


音の高低(動物・楽器の出せる音)

  8 音の高低(動物・楽器の出せる音)
©M.Sekiguchi

マイク

  8 🎤 マイク ( 入力装置 圧力センサー )
項目コンデンサマイク (エレクトレット)ダイナミックマイク
感音材料 誘電体(圧電体) セラミックス 磁性体(金属)
原理 コンデンサによる静電容量の変化を捕らえます。 コイルによる起電力を捉えます。
用途 スマホ、PC スマートスピーカー
歴史 昭和(戦後) 平成(スマホ)、昭和(イヤホン)

マイクは、空気の圧力を電圧に 変換する圧力センサー。

テレワークや電話に必須。


サドヤワイナリー@山梨県甲府市

  9 338 サドヤワイナリー@山梨県甲府市
©2007 K.Tachibana

ブドウには、ごく微量ですが酒石酸(しゅせきさん)が含まれています。ブドウからワインを醸造すると、ワイン中に沈殿する滓にも、貯蔵する酒ダルの周壁にも、白い小さな結晶体が生じます。この滓や周壁の酒石酸が粗酒石(そしゅせき)です。また、ワインの液中にも酒石酸が混在し、ワインの搾り粕にも酒石酸が混在しています。ワインの液中や絞り粕から酒石酸を採取するには普通、脱酸用石灰を添加し、酒石酸石灰として採取する方法がありました。しかし、手っ取り早いのはやはり、周壁や沈殿滓の粗酒石を直接採取する方法でした。採取した粗酒石に加里ソーダを化合させると、酒石酸加里ソーダという少し大きな結晶体が精製されます。これがロッシェル塩と呼ばれるもので、山梨県に所在の「サドヤ醸造場」が国内で唯一、製造が可能でした。

ロッシェル塩は、音波をすばやく捉える特性があり、第2次世界大戦ではドイツがいち早くこれを採用して音波防御レーダーを開発、艦船に装備して、潜水艦や魚雷に対処する兵器とし、効果を発揮していました。

日本の海軍は昭和17年(1942)6月、中部太平洋のミッドウエーの海戦で、航空母艦4隻を失う大打撃を受けます。敗退直後から、海軍では同盟国のドイツに兵員を派遣し、ロッシェル塩を利用した探査技術を習得させ、艦艇の戦備を強化することにしました。昭和18年初頭から、海軍は全国のワイン醸造場に粗酒石の採取を働きかけ、粗酒石は山梨県の「サドヤ醸造場」に集めロッシェル塩を精製し、精製品は東芝などの大電機メーカに依頼して、対潜水艦用の水中聴音機の量産態勢を構築しました。水中聴音機は、まさにブドウから作る兵器です。

国税庁HPより *

スピーカー

  9 🔊 スピーカー とヘッドホン ( 出力装置 )
項目圧電スピーカーダイナミックスピーカー
発音材料 圧電体 セラミックス 磁性体(金属)
用途 スマホ、PC スマートスピーカー
歴史 昭和(戦後) 平成(スマホ)、昭和(イヤホン)
13 無機工業化学 q.99 13 情報処理概論 08 工業技術概論 🎵オーディオファイル形式 🎵米沢高等工業学校校歌 工業技術概論
🔊
  10 【音声テスト】 米沢高等工業学校校歌

テレワークや電話に必須。

圧電体(最新工業化学p.26)や磁性体(最新工業化学p.26)は、圧電スピーカー、 フィルムスピーカー、 平面スピーカー、 クリスタルイヤホン、 ダイナミックスピーカー、などの音響デバイスに応用されています。

ダイナミックスピーカーは、音響単独ではなく、スマートスピーカーやスマートディスプレイ、リモート会議システムなどで応用されることが多くなりました。

オンキヨー上場廃止で「オーディオ御三家」消滅…80年代にはミニコンポの大流行も
✍ 平常演習

音楽を作り出す材料を調べよう


和音と周波数

  10 🔊 和音と周波数
記号 音名 周波数/Hz
(有理和音)
周波数/Hz
(平均律)
E ・・ホ 660 659.25511382574
C# 嬰・・ハ 550 554.365261953744
C ・・ハ
H
B ・ロ
A ・イ 440 440
G#
G ・ト
F#
F ・へ
E ・ホ 330 329.62755691287
福田直樹、有理和音 15 ) イロハニホヘト(いろはにほへとちりぬるを)
🔊
  11 【音声テスト】 米沢高等工業学校校歌

音階

A A# B C C# D D# E F F# G G#
  12 音階
©2023 K.Tachibana

平均律では、音階は、2の12乗根です。 iを虚数単位とすると、k番目の音階は、複素平面で、exp(2πki/12)の点で表されます。 ハ長調は、水平軸に来ます。イ短調が、垂直軸に来ます。 どの長でも 平行調 は、直交します。 トニック 、サブドミナント、ドミナントは、二等辺三角形になります。


オーディオの規格

  11 オーディオの規格
規格 分類
モノラル AMラジオ(アナログ) ラジオ体操
ステレオ(L,R) CD(44.1KHz,16bitデジタル) FMラジオ(アナログ) NTSCテレビ(アナログステレオ) 地上デジタル(デジタル 48kHz MPEG-2/AAC-LC 256kbps *
5.1サラウンド 衛星4K(デジタル) 名曲アルバム 5.1ch+ステレオHDR
22.2サラウンド 衛星8K(デジタル)
* * * ニセレゾ? 音圧戦争海苔波形

介護とロボット


IoTとAI

SDGs 気候変動に具体的な対策を

参考文献


無機工業化学