HOME 教育状況公表 令和3年9月21日

04. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~

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

電池の歴史

 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+||Cu2+|Cu
一次電池 乾電池 * Zn|MnO2 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。
リチウム電池
二次電池 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。
エネルギー化学特論 無機工業化学 エネルギー化学
https://www.panasonic.com/global/consumer/battery/academy/jp/rekisi.html

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電極界面と起電力
©K.Tachibana
電位プロファイル

電池の起電力はどこから来るのか。それは界面電位差でした。横軸に距離、縦軸に電位をとったグラフを電位プロファイルと言います。電位は場所の関数なので、それをどこかの軸に沿って断面を見たグラフと言っていいでしょう。


実用電池

" -3.5" " -3" " -2.5" " -2" " -1.5" " -1" " -0.5" " 0" " 0.5" " 1" " 1.5" " 2" 電位 E / V vs. NHE " Zn " Cu " ダニエル電池 " Ag|AgCl " Li " Zn " MnO2 " マンガン電池 " H2 " O2 " 燃料電池 " Li " LiCoO2 " LIB
実用電池

ガルバーニ電池
ボルタ電堆

ダニエル電池

電気化学で登場したのを覚えているでしょうか? 学生実験にも登場しました。 エジソンの蓄音機にも使われた電池です。

ダニエル電池

Zn | Zn2+ || Cu2+ | Cu     ( * )

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ダニエル電池
©K.Tachibana
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_05/Daniell_cell.asp
ダニエル電池
電池式 Zn | ZnSO4aq || CuSO4aq | Cu
負極 反応 Zn2+ + 2e-  ←    ZnEº = -0.7626V
正極 反応 Cu2+ + 2e-  →   CuEº = 0.34V
全反応 Zn +Cu2+Zn2+ + Cu
起電力 e.m.f. = 1.1026V
エネルギー変換特論 化学実験Ⅰ エネルギー化学
  1. 小野寺伸也, 正極内部抵抗から見るリチウムイオン二次電池正極材料の最適な組み合わせ ,,山形大学 工学部 物質化学工学科 卒業論文.
  2. 伊藤智博,学生実験: 電池の起電力 ,,山形大学 工学部 物質化学工学科 シラバス.
電気化学セルの組立―電池式の書き方と電極の呼び方―

ガスナー電池

ガスナー電池

リチウム電池

もしダニエル電池を充電したら-充電式電池へ-

反応は可逆でも、形状が可逆とは限らない。特に負極に金属を使っている場合、放電して腐食溶解した負極が、充電によって完全に元の形状に戻ることはまずない。 少しでも形状変化を小さくするために、電池活物質には固体材料が使われることが多い。

もし ダニエル電池 を充電したら

リチウムイオン二次電池

リチウムイオン二次電池

リチウム電池を二次電池化するには、負極の充電時の形状変化を可逆にする必要がありました。 放電時に金属リチウムがリチウムイオンとして電解液に溶解すると、 充電時に元の形状に戻るとは限りません。 そこで、炭素のインターカレーション反応を利用し、負極反応を固相反応とすることで、 負極の充電時の形状変化の可逆性を実現しました。

リチウム電池の仕組み はどうなっているのでしょうか?

電池 @C1卒業研究
立花研究室(要認証) 学生実験
エネルギー化学特論
  1. エネルギーの種類と物質
  2. 電解工業と電気化学
  3. 電池の起電力と分解電圧
  4. 電気エネルギーと物質~電池の系譜~
  5. 電池の内部抵抗と過電圧
  6. 二次電池とキャパシタ
  7. リチウムイオン二次電池の構造
  8. セラミックス材料~正極活物質と導電助材の働き~
  9. 金属材料~負極活物質と集電体の働き~
  10. 有機材料~リチウム電池の電解液~
  11. 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~
  12. 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~
  13. 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
  14. 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
  15. 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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