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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  伊藤智博


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。


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

電池と 日用品


生活と電池

  1   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
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

  2   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
  3  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
残量 バッテリーの貯蓄率(%)として 読み取り可能
満充電までに必要な時間 秒単位で 読み取り可能
枯渇するまでの残り時間 秒単位で 読み取り可能
電圧 現在、未対応
内部抵抗 現在、未対応
温度 現在、未対応

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~

  1  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

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
  4 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。

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)
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 " H2 " O2 " 燃料電池 " Li " LiCoO2 " LIB
  2 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。

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


マイク

  5 🎤 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)
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)
12.無機工業化学 10.エネルギー化学

スピーカー

  6 🔊 スピーカー ( 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 13.情報処理概論 🎵オーディオファイル形式 🎵米沢高等工業学校校歌

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 Web Class

音楽を作り出す材料を調べよう


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
  1. 受講にあたって
  2. 明治43年、旧米沢高等工業学校の設立―産業革命と化学工業の歴史―
  3. 1000気圧が生み出す肥料と食料―酸・アルカリ工業と水資源―
  4. 3ボルトが生み出す洗剤と水素―電気化学工業―
  5. 1500℃が作る東京スカイツリー―鉄鋼―
  6. 1000℃、4Vが作る新幹線―非鉄金属―
  7. 3000℃が作る航空部材―窯業―
  8. ひとり毎日1キログラムの廃棄物―資源と環境とサプライチェーン―
  9. 太陽がくれた1キロワット毎平米―エネルギープラント―
  10. トイレットペーパーがなくなったら?-パルプ、紙、繊維―
  11. 自動車がなくなったら―目指せカーボンニュートラル―
  12. マンガ本がなくなったら―印刷技術と半導体―
  13. スマホがなくなったら―インターネットと光と音―
  14. 電池がなくなったら―生活に役立つ工業製品を作ろう―
  15. 食べ物がなくなったら―環境、持続可能な社会に向けて―
  16. ヒトはなぜモノを作らねばならないのか?-ひとりひとりの幸せを大切にするために-