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🔋C1 Laboratory
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電池は、 活物質を 容器に詰めたエネルギーデバイスです。効率よく電気が取り出せるよう、 正極 合材、負極合材を工夫して詰め込みます。
ジェリーロール構造は、スパイラル電極構造とか捲回型とも言われます。 円筒型電池には、出力重視のスパイラル電極構造のほかに容量重視のボビン電極構造もあります。 * さらに出力重視では、ラミネート型電池に使われる枚葉積層型があります。 * * 電極面積を大きくし、電極間距離を小さくして、電解液による溶液抵抗を減らし、 内部抵抗を小さくします。
リチウムイオン二次電池には、磁気テープで培われた、合材の塗布技術が応用されています。
✍ 233 燃料電池とリチウムイオン二次電池の設計コンセプトの違いについて議論しよう| 化学結合の種類 | 結晶 | 性質や特色 | 物質の例 |
|---|---|---|---|
| イオン結合 | イオン結晶 | 固体 は 導電率が小さい（絶縁体）。水溶液や溶融塩は 導電率が大きい。 （ キャリア ：イオン）。 | 塩化ナトリウム、塩化銀、水酸化ナトリウム、 酸化アルミニウム |
| 共有結合 | 分子結晶 | 分子式 で表す。融点や沸点は低い。 | 酸素、アンモニア、水※1、ドライアイス |
| 共有結合の結晶 | フェルミ準位 はバレンス バンド中にあり、電子はそこに局在化している（共有電子）。 局在化した電子の負電荷と原子核の正電荷で結合している。 黒鉛 や 導電性高分子は、π電子共役系の非局在化した電子により電気を通す。黒鉛は、 半金属と呼ばれる。 | ダイヤモンド、 黒鉛、 🏞 ケイ素 水晶 、石英※2 | |
| 金属結合 | 金属の結晶 | 導電率 が大きい（ キャリア ： 自由電子）。 コンダクションバンド中にフェルミ準位があるので、電子が非局在化している。 | 🏞 鉄、 銅、 亜鉛、 🜀 アルミニウム リチウム |
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。
✍ 234 共有結合の黒鉛が電気を流す理由を考えよう| 固体の分類 | 結晶 | 性質や特色 | 物質の例 | 用途 |
|---|---|---|---|---|
| 金属 | 金属（ 導体 ） | ギャップ幅が狭い 金属光沢がある。 金属伝導 | 鉄、 🜠 銅、 🏞 亜鉛、 🜀 アルミニウム | 送電 |
| 半金属 | ギャップ幅が狭く、価電子帯の頂上と伝導帯の底がフェルミ準位を横切って いる | 黒鉛 *、ビスマス、アンチモン | ||
| 絶縁体 | 半導体 （間接遷移型） | ギャップが比較的狭い | 🏞 ケイ素 （ 共有結合）、ゲルマニウム、炭化ケイ素 | パワーエレクトロニクス |
| 半導体 半導体 （ 直接遷移型） | 同じ波数でのギャップが比較的狭い | ヒ化ガリウム | 発光ダイオード | |
| 絶縁体（ 不導体 ） | ギャップが比較的広い | 酸化アルミニウム（イオン結合） ダイヤモンド（共有結合） | 碍子、電解コンデンサ |
電気を流すのは金属だけです。黒鉛や導電性高分子も電気を流しますが、金属のようにバルク全体にバンドが広がっているわけではありません。
導体としては金属や合金が一般的であり、ＣｕやＡｌなどの金属は送電用ケーブルに使用される。
最新工業化学―持続的社会に向けて―より引用
抵抗率 は、 物性値です。 金属は、電流を流す用途で使うので、 電気抵抗から損失を計算しやすいように 抵抗率 で表現し、 半導体や電解液は、キャリア濃度との関係から 導電率で表現することが多いです。
コンダクタンスは面積に比例し、長さに反比例するので、 導電率既知の 標準溶液を使って、セル定数を求め、そのセル定数と コンダクタンスから 導電率を求めます。
25 セル定数 ✍ 71 送電線の損失を計算しよう ✍ 234 共有結合の黒鉛が電気を流す理由を考えよう Fig セル定数
精密蒸留されたケイ素は、水晶のるつぼの中で、引き上げ法で、単結晶にします 1 ) 2 ) 。
ケイ素単結晶は、ダイヤモンドと同様に 共有結合の結晶なので、高分子化合物と言えます。
ぴかぴかなのは、屈折率が高いためで、自由電子による金属光沢ではありません。しかし、見た目がぴかぴかなので慣用的に金属ケイ素を呼ばれることもあります。
半導体として使われます。 半導体前工程でフォトリソグラフィーします。
Fig シリコン・インゴット 🏞 ケイ素
１４族 元素の 単体は、４本の手で共有結合した ダイヤモンド構造をとる。共有結合なので、ダイヤモンドは絶縁体だが、 ケイ素やゲルマニウムとなると半導体となり、 スズや鉛になると柔らかく、だいぶ金属的で、自由電子がありそうな気配になってくる。 でも 抵抗率は大きく、 鉛電池では合金組成や集電体の形状設計には細心の検討がなされている。
１４族 元素の中でも 炭素は、ダイヤモンドのほかに 黒鉛の同素体を持ちます。 黒鉛は共有結合にも関わらず電気を流します。
学術情報基盤センターでは、 実習端末で 量子計算ソフトSCIGRESS（サイグレス）が利用できます。 SCIGRESSを使いたいときは、指導教員を通じて 学術情報基盤センター にお問い合わせください。
| 大分類 | 小分類 | 物質の例 |
|---|---|---|
| 純物質 | 単体 | 塩素、 🏞 鉄、 🜠 銅、 🏞 アルミニウム、 酸素、 🏞 グラファイト、 ダイヤモンド、硫黄 など |
| 化合物 | アンモニア メタン、水、塩化ナトリウム、 二酸化炭素、 酸化銅（Ⅱ）、 🏞 酸化チタン（Ⅳ） 、 一酸化二窒素など | |
| 混合物 | 均一混合物 | 空気、 🏞 海水など） 高分子化合物 粘土 |
| 不均一混合物 | 合金、 鉄合金、 岩石、 エマルション（牛乳）、 サスペンション（ 塗料）、 エアロゾル、 スラリー、 など |
物質は、 温度や圧力 によって、様々な状態をとります。 物質が固体、液体、気体、 超臨界流体のいずれの 状態を示した図を 状態図と言います。 分子結晶は、昇華しやすく、 イオン結晶は、融点や沸点が高いです。
単体の中で、同じ 元素からなる単体同士を同素体と言います。炭素はもっとも同素体が多い元素と言えるでしょう。 化合物でも、結晶構造が違う場合は、相が違うと言います。酸化チタンは、ルチル型とアナターゼ型では、アナターゼ型しか光半導体になりません。
混合物では、 濃度や組成で表現します。 高分子化合物は、重合度の異なる分子化合物や式量の異なるイオン化合物のの混合物です。 不均一混合物では、 界面が存在します。
工業製品 には、 物体（object）として形や構造が役に立つものと、形や構造に関係なく 物質 (substance,material,matter)として役に立つものがあります。資源から廃棄物までの サプライチェーンの流れで、物質が変わってゆきます。
✍ 235 不均一混合物である電池合材の物性を推定する方法について考えてみよう 🧪 🏞 海水 🧪 🏞 空気|
塗膜形成成分
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添加剤
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↓
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塗膜成分
（結着剤・バインダー）
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混錬
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溶剤
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ビヒクル
（展色剤）
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↓
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←
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顔料
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塗料
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塗料には、合成樹脂塗料、油性塗料、 漆などがあります。 合成樹脂塗料には、塩化ビニル・酢酸ビニルのエマルションがあり、建築用やコンクリートの表面保護に使われます。 エポキシ樹脂塗料は、橋梁、船舶、石油タンクなどの 防食塗装や、 自動車の下地塗装に使われます。 ポリウレタン樹脂塗料は、高級上塗り塗料として使われます。 アルキド樹脂塗料は、車両、船舶、木材など塗装に使われます。 油性塗料は、 油脂から得られた乾性油で、油ペイントや油性エナメルなどがあります。 防食用に建物、船舶、車両などに使われています。
添加剤には、可塑剤、硬化剤、乾燥材、防腐剤、防かび剤、消泡剤、レベリング剤などがあります。
👨🏫 色素材料―染料、顔料、塗料― ✍ 236 リチウムイオン二次電池の合材設計について議論しよう
スラリーやインクの 塗工には、 混合、撹拌、分散、 乾燥と言った工程が含まれます 3 ) 。
360 ✍ 236 リチウムイオン二次電池の合材設計について議論しよう
そばを 粉にするには、石臼の普及を待たなければならなかった（解砕）。 そば打ちは、粉を水に分散させ、スラリーにして適度な レオロジー特性を持たせる技。 つなぎ（バインダー）に小麦粉や海藻を使えば、少しは楽になるが、そば粉１０割で、そば打ちするのは至難の業。
リチウム電池の正極合材スラリーの製造は、そば打ちに匹敵するハイレベルな技術を要求される。
✍ 236 リチウムイオン二次電池の合材設計について議論しよう 👨🏫 承天寺＠福岡県福岡市
