◇ 電解工業と電気化学

頃

鉱石から大量の電気で単離するアルミニウムは電気の塊と言っていい。それをさらにエネルギーを消費して成型して自動車部品にしたり飲料缶にしたりする。最後は、またエネルギーを使って燃やすごみにする。

物質量n〔mol〕と電気量n〔C〕は比例します。これをファラデーの電気分解の法則と言います。比例定数はファラデー定数F＝96485.3415〔C/mol〕です。定義定数です。工業的には、ファラデー定数F＝26.801〔Ah/mol〕をよく使います。

電気の標準は電流で定義されます ^2

) 。

ファラデーの法則を使って電気量を測る装置をクーロメーターと言います ^3

) 。銀クーロメーター ^4

) 、 1936年のレイリー型電流天秤 ^5

) を経て、現在の電気基準になりました。産業界では、実用上、ツェナダイオード電圧標準器と標準抵抗器を標準としています。

エネルギーの種類

表 1 . 0. 29 エネルギーの種類

kWh、 J	関係式	示強性変数	示量性変数	物質量あたりマクロ	粒子あたりミクロ

🧪 化学（ `G` ） ⚖️	⊿`G`=⊿`H`-`T`⊿`S`	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数 `N`_A
🔥 熱（ `R` `T`, `k`_B `T`, ）	🖱 `Q`= `TS` `RT`	温度 `T` 〔K〕	エントロピー `S` 〔J/K〕	気体定数 `R` 〔J/K・mol〕	ボルツマン定数 `k_B` 〔J/K
💪 力学（`pV`） ⚖️ `E`	🖱 `W`= `pV`	圧力 `p` 〔Pa〕	体積 `V` 〔m³〕	理想気体のモル体積 `x` 〔L/mol〕
⚡ 電気（ `n` `F` `E`, `e` `Φ`）	🖱 `E`=`VQ` `E`=`nFE`	電圧 `V` 〔V〕	電気量 `Q` 〔C〕	ファラデー定数 `F` 〔C/mol〕	電気素量 `e` 〔C〕
🌟 光（ `h` `ν`）	`E`=`hν`	振動数 `ν` 〔Hz〕			プランク定数 `h` 〔J・s〕
☢ 原子力（`mc`²）

エネルギーは、工業の原料であり、貴重な資源です。

エネルギーは、相互にエネルギー変換できます。エネルギーは保存則でなくなりません。気体の状態方程式は、熱エネルギーと運動エネルギーの保存を表しています。

p V = n R T

しかし、効率は１００％にはなりません。有効な仕事として利用できるエネルギー（エクセルギー）の割合は減っていき、廃熱（アネルギー）の割合が増えていきます。その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

サイト	抵抗の種類	細分	原因

バルク	溶液抵抗		溶液の導電率（抵抗過電圧）
	合材層の電子抵抗		導電助剤の炭素粒子同士の抵抗は、接触抵抗であるが、不均一多孔質の合材層を、ひとつのバルクとみなしたときは、合材層の電子抵抗ということになる。
	拡散抵抗		拡散過電圧（濃度過電圧）イオン移動
	集電体の抵抗		金属の抵抗率（抵抗過電圧）
界面	接触抵抗	集中抵抗	オーミック界面点接触による電流の集中
	接触抵抗	皮膜抵抗	ショットキー界面トンネル電流
	反応抵抗		ショットキー界面反応過電圧（活性化過電圧）

内部抵抗は、電池の性能指標です。

電池の劣化は、形状変化による接触抵抗の増大です。

電池の発熱は、電流の二乗×内部抵抗。発熱は、無駄な発電負荷であり、無駄な二酸化炭素の排出。大型電池ほど、放熱が不利になり、熱暴走のリスクが高まります電池の内部抵抗を下げることが、脱炭素社会への道。

V_{o} (Q) = V_{e.m.f.} (Q) - η (t, Q, \frac{ⅆ Q}{ⅆ t})

過電圧（電圧降下）＝活性化過電圧＋濃度過電圧＋抵抗過電圧（溶液抵抗＋接触抵抗）

η = η_{a} + η_{con} + η_{IR}

銅やアルミニウムの金属は、抵抗率が小さく、電線や集電体に使われます。

金属は、金属結合しています。全体に広がった波動関数のエネルギー準位がある導電帯にフェルミ準位があり、電子がバルク全体に非局在化しているからです。

金属酸化物などのイオン結晶は、イオン結合しています。全体に広がった波動関数（電子軌道）のエネルギー準位がある価電子帯にフェルミ準位があり、電子が原子の近傍に局在化しているからです。電子が局在化して、バルク全体で移動できないという点で、共有結合結晶や分子結晶でも同じです。

グラファイトなどの炭素材料やポリチオフェンなどの導電性高分子材料では、電子が非局在化できる状態にあり、導電性を示します。

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
金属	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