HOME 教育状況公表 令和4年6月29日

電解工業と電気化学

山形大学  理工学研究科(工学系)  物質化学工学専攻  仁科辰夫・立花和宏

エネルギー化学特論 Web Class syllabus 56339 4-211 C1

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。

銅の電析出
1000℃、 4Vが作る新幹線―非鉄金属―

エネルギーの種類

  1 0.  29  エネルギーの種類
示強変数示量変数物質量あたり粒子あたり
🧪 化学エネルギーGJ 化学ポテンシャル 物質量〔mol アボガドロ数
🔥 熱エネルギー Q 〔J〕=TS 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 kB 〔J/K

💪 力学的エネルギー E 〔J〕=pV 🖱 圧力 p 〔Pa 体積 V 〔m3理想気体のモル体積 x 〔L/mol
電気エネルギー E 〔J 🖱 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
🌟 光エネルギー E 〔J 振動数 ν 〔Hzプランク定数 h 〔J・s
00,01.エネルギー化学 01, 02. .エネルギー化学特論

電気抵抗

  2  電池の内部抵抗の原因
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
集電体 の抵抗 金属の抵抗率 (抵抗過電圧)
拡散抵抗 拡散過電圧(濃度過電圧) イオン移動
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
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)

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。

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


金属の結晶

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金属の結晶
©K.Tachibana

イオンの結晶

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イオン結晶
©K.Tachibana

金属と絶縁体

  3  金属と絶縁体
固体の分類 結晶 性質や特色 物質の例
金属 金属( 導体 金属光沢がある。 金属伝導 鉄、 🜠 銅、亜鉛、 🜀 アルミニウム
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 ギャップが比較的狭い ケイ素( 共有結合)、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、炭化ケイ素
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)
03.エネルギー化学 02.エネ特 1217 0216

抵抗過電圧は電力を消費させ、ジュール熱を発生する。 得たいものは純銅であって、熱ではないのに、熱が発生する。 電極面積を大きくし、電極間距離を短くし、塩濃度を上げて、電解液の導電率を大きくしても、必ず熱が発生する。

✏ 平常演習 Web Class

Cu の電解精錬にはなぜ電力が必要か?

回答

Cu の電解精錬で節電するにはどうしたらいいか?

Cu の電解精錬の短絡防止技術を考察せよ


エネルギー化学特論
  1. はじめに
  2. エネルギーの種類と物質

    「椅子を高く持ち上げたときに消費するエネルギーは、椅子の位置エネルギーに時間をかけて求めることができる」はほんとうか??

  3. 電解工業と電気化学

    銅の電解精錬に使う電力は何のためか?それを節電するにはどうしたらいいか?注意すべき点は何か??

  4. 電池の起電力と分解電圧
  5. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
    • 亜鉛めっきと銅めっき
    • ダニエル電池の充電
  6. 電池の内部抵抗と過電圧
    • 過電圧の種類
    • 反応抵抗とターフェルの式
  7. 二次電池とキャパシタ
  8. リチウムイオン二次電池の構造
    • 正極の反応
    • アルミニウムのアノード酸化
    • 界面とバルク
  9. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  10. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  11. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  12. 高分子材料~リチウム電池のバインダーやセパレータの働き~
    • バインダー
    • 導電性高分子
    • セパレータ
    • ラミネートパッケージ
  13. 化学工学とリチウム電池~分散・スラリーの作成と塗布乾燥~
    • 分散
    • レオロジー
    • 塗布乾燥
    • リチウムイオン二次電池の内部抵抗と電気二重層容量
  14. サイクリックボルタンメトリーによる電池やキャパシタの評価
    • ポテンショスタットとガルバノスタット
    • 電池とキャパシタ
  15. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  16. 電池やキャパシタのマネジメント~BMSやスマートグリッド~


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