HOME 教育状況公表令和4年5月28日

09. ◇ 金属材料～負極活物質と集電体の働き～

山形大学工学部化学・バイオ工学科仁科辰夫

金属材料

金属材料は大きく鉄鋼と非鉄金属に分類されます。ガルバニ系列（現代の電気化学p.95）の活性な方は電池の負極活物質として使われます。

負極活物質

金属はよく電気を流します。だから卑な金属は、それだけで集電体の機能も兼ね備えた負極活物質になります。とはいっても、水溶液系の電池では保存特性の都合、水素過電圧が大きなものが好まれます。水銀、亜鉛、カドミウム。水素過電圧の大きな金属の御三家ですね。環境負荷が社会問題となる前に水銀法がさかんに使われたのはその水素過電圧の大きさによります。乾電池の負極に使う亜鉛にも水銀を添加してアマルガムにすると自己放電がぴたりととまります。これを水銀なしでやるために流した血と汗と涙と言ったら。

負極活物質に求められること

電位が低いこと＝酸化されやすいこと。
水素過電圧が大きいこと＝通電しないときに溶けないこと。
充電時に形状が復元すること（二次電池の場合）。

イオン化傾向

図 1 .

イオン化傾向

©K.Tachibana

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。

表 1 . ◇ 負極活物質負極材料 ^1

)

アルカリ乾電池ダニエル電池

略号	理論容量 /mAh/g	実効容量 /mAh/g	用途	特徴

H
Zn	819.7
Li	3861.3
水素吸蔵合金
C	371.9		密度2.2 *	リチウムイオン電池（スマホ）

負極活物質は、主に電池の負極で使われる還元剤です。充電式電池（二次電池）では、充電前の電池材料である負極材料も活物質と呼ばれることがあります。金属（亜鉛やリチウム）や金属イオンを取り込める層状化合物（グラファイトなど）が使われます * 。正極には酸化剤が使われます。

09.エネルギー化学特論 04機能

F=96485.33212331

集電体

伝導性のある金属

表 2 . 導電率の大きな金属材料

金属	元素

⚛ 🜛 銀	Ag [5s¹]
⚛ 🜠 銅	Cu[4s¹]
⚛ 🜚 金	Au [6s¹]
⚛ 🜀 アルミニウム	Al[3p¹]
⚛ 亜鉛	Zn [4s²]
真鍮（黄銅）	Cu,Zn

電線ばかりでなく、電池の集電体にも使われます。
05, 08.無機工業化学 09.エネ特 0517 20170210 20161124
https://www.hata-cu.com/blog/post-309/

図 2 . 導体（金属）・半導体・不導体（絶縁体）

©K.Tachibana

アルミニウムは両性金属です。酸の中では水素を出して溶けますが、アルカリの中ではテトラヒドロキシドアルミン酸イオンとなってゲル状になります。

リチウム電池の正極活物質は多かれ少なかれ還元剤として働くので、水と反応してアルカリとなりアルミニウムを腐食します。しかしその場合は、ゲル状となるので、いわゆる孔食とは異なる腐食が進行します。

リチウムイオン二次電池用の正極集電体アルミニウムについて
立花和宏、東北大学博士論文、(2003).

リチウム電池駆動用電解液中におけるアルミニウムの不働態化
立花和宏、佐藤幸裕、仁科辰夫、遠藤孝志、松木健三、小野幸子, Electrochemistry, Vol. 69, No.9, pp.670-680, (2001).

機能界面設計工学特論

集電体と電極合材との接触抵抗

メタルジャケット

次回

有機材料～リチウム電池の電解液～ http://c1.yz.yamagata-u.ac.jp/Education/Energy.html

エネルギー化学特論

はじめに
◇ 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？? 問
◇ 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？? 問
◇ 電池の起電力と分解電圧
- 電池の起電力
- 分解電圧
◇ 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
◇ 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
◇ 二次電池とキャパシタ
- 二次電池の電池容量
- キャパシタの静電容量
◇ 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
◇ セラミックス材料～正極活物質と導電助材の働き～
- 分極の種類とイオン結合
- 正極活物質
- 炭素材料と導電助材
- 電気二重層容量の測定
◇ 金属材料～負極活物質と集電体の働き～
- 水素過電圧
- 亜鉛
- リチウム
- グローブボックス
◇ 有機材料～リチウム電池の電解液～
- 有機電解液
- 導電率を上げる
- インピーダンスから溶液抵抗
◇ 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
◇ 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
◇ 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
◇ 交流インピーダンス法による電池やキャパシタの評価
- オシロスコープによる交流波形の確認
- 電気抵抗と導電率
- 静電容量と誘電率
- ボーデプロットとコールコールプロット
◇ 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～
- パイソン
- ＡＩ

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