1.電気化学と電池の基本

8086のインテルのゴードンムーアも、Z80の嶋正利も化学を学んでいました。

※1.水分子は共有結合に分類されるが、液体の水はわずかに電離して電気を流す。 このイオン結合的な性質を、極性分子と表現する。

※2.ケイ酸塩のケイ酸はイオン結合に分類されるが、共有結合としての性質が強く、焼成などで成型することができる。

電池には電極があります。酸化が起きる極をアノード、還元が起きる極をカソードと呼びます。 以前はアノードを陽極、カソードを陰極と呼びましたが、正極と陽極がまぎらわしいのでアノードと呼びます。 アノードは電流が外部回路から流れ込む極です。カソードは電流が外部回路へ流れ出す極です。 アノード、カソードは電流の向きに注目した呼び方です。 それとは別に正極と負極という呼び方があります。 電位の高い極を正極、電位の低い方を負極と呼びます。 正極、負極は電位の高低に注目した呼び方です。

アノードでは酸化反応、カソードでは還元反応が起きます ^{6 )} 。

© K.Tachibana ^* , C1 Lab.

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 ^{12 )}

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。 ^{13 )}

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。 ^{14 )}

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。 ^{15 )}

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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 は、 アノード、 カソード、電解質の 三要素 からなります。 電池で起きる現象は、 電解質などの バルクの現象、 アノードやカソードといった電極と電解質の 界面の現象に、分けられます。

界面を表す 特性とバルクを表す 物性があります。等価回路ではときどき不明瞭なものがありますので、単位で確認しましょう。

たとえばバルクの測定をメインにする導電率測定の導電率計では、 界面インピーダンスを下げるため、電極に３００倍もの拡面倍率を持つ白金黒電極を使います。

物質は、 様々な状態をとります。 界面や表面 は、ある材料の相と異なる材料の相が接するところです。

電池の内部抵抗は、バルクと界面との両方から生じます。

固体は、形状が決まっているので、接触界面に多様性がある。 また、固体の表面は、バルクとちがって、さまざまな 欠陥があります。

ｐｎ接合は、ダイオードやトランジスタの基本です ^{16 ) 17 )} 。

不定比化合物 も半導体になります。

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。

物質と 物質とが 接触すると、その 界面で電気的な相互作用が起こります。

固体同士の接触では、 点接触 になります。 しかし、製膜技術を使ってｐｎ接合などを形成することもできます。

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平板電極モデルでは、溶液抵抗と抵抗率の関係は、溶液の長さと断面積で決まり、表面積ではない。

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粒界は、 面欠陥です。 半導体の ｐｎ接合は、 意図的に設計された面欠陥と言えます。

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固体粒子 （粉体） の接触は、点接触です。面積を見積もるのがとても大変です。 界面の電流密度がわかりません。 接触抵抗は電流集中（ 集中抵抗）を伴うので、圧縮などの影響を受けやすいのです。活物質や炭素材料、固体電解質などの取り扱いが難しいのはそのためです。

たとえば、 炭素導電助剤粒子間は、 固固接触 であり、 点接触です。

ｐｎ接合などは、固体を接触させるのではなく、固体にイオンを打ち込んだりして界面を作るため、面接触となります。

2026年5月20日の CO₂ 濃度は、 推定453ppm。 この100年間で、地球大気中の二酸化炭素の 濃度は1.4倍になった。 前史時代の二酸化炭素濃度は、280ppmでほぼ一定だった。 石炭 を使い始めた産業革命から指数的に増加を始めた。 石油を使い始めてからは指数項が加わった。

日本の 炭素強度は、580gCO₂eq/kWh

今、地球がヤバい。 脱炭素社会 には 再生可能エネルギー の活用が必須。そのためには、 電気エネルギーを 備蓄 する電池が必須なのだ。

• 国土交通省、気象庁 二酸化炭素濃度の経年変化 https://www.data.jma.go.jp/ghg/kanshi/ghgp/co2_trend.html
• 東北大学大学院理学研究科　大気海洋変動観測研究センター 過去250年間の大気中二酸化炭素濃度の変動 http://caos.sakura.ne.jp/tgr/observation/co2