大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
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A. 電気エネルギーの示量因子はzF、示強因子はEである。また、電力量の単位はkWh、電気量の単位はAhである。電池とは化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。乾電池は少量のノリであるから中身が乾いている。そのため、倒れても液体が漏れる心配がなく、横にできるという利点がある。二次電池にするには固液だと状態が変わってできないため、固相反応にする必要がある。 グループワークではアルカリ乾電池の構造を調べた。正極には二酸化マンガン、負極には亜鉛が利用される。電解質は水酸化カリウム水溶液が使われる。 事後学習では電池効率と安全性を向上させるにはどうしたらいいかについて考えた。高性能電極材料の利用や、電解質の最適化で電池効率が向上できるのではないかと考える。セパレーターの高耐熱化や、全個体電池の開発で漏れや発火リスクの排除ができ、安全性向上が期待できるのではないかと考えた。
A.①?③を以下に示す。 ①【講義の再話】 腐食電流について、ｐ96の式をもとにその意味について調べた。実際の電圧から起電力を引いた値を過電圧というが、この過電圧は鉄の場合Ecor―E°Feで表される。 トタンは亜鉛をメッキすることで鉄のイオン化。つまり腐食を防いでいる。 鉄とアルミニウム、電解質の代わりに手のひらを使って実験した。この場合アルミニウムが酸化され溶解するはずである。なぜなら銅の方が電位が高くアルミの方が電位が低い、よって銅の方がイオン化されやすいからである。酸化が起こるアノードがアルミ、カ還元が起こるカソードが銅である。 化学エネルギーはギブスの自由エネルギーΔGで表される。電池ではこのエネルギーを電気エネルギーに変換する。電気エネルギーの式は示強因子である電圧E（単位V）と示量因子である電気量ｚF（単位C：クーロン）の積で表される（Fはファラデー定数であり電気量（単位C）に比例する）。この二つのエネルギー効率を表した式はーΔG＝ｎFE cell＝ΔG１―（－ΔG２）＝ｎ１ｎ２F（E１－E２）で表される。電力量の単位は（kWh）であり、電気エネルギー（J）に変換できる。電力量を電圧で割ったものが電気量（Aｈ）である。実際に計算で使われるファラデー定数は26.8で単位は（Ah/mol）である。 乾電池はダニエル電池とは違い横にできるのが利点である。また酸化剤と還元剤が入っているためリチウムイオン電池と違い充電する必要はない。電圧が上がりZnがZｎ２+になるはずであるが、Hgを入れることで水素過電圧が大きくなり防ぐことができる。すなわち自己放電しないためストレージ性能が高いといえる。 ②【発表の要旨】 演題 市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろう グループ名 イ、イ、イライラ 役割 責任著者 共著者 鈴木結惟、原野未優、高橋香桃花、三船歩美、大坂琉音 時間がなかったため班のみんなで教科書に載っている例題を説いた。この数値は定数となり得るのか、また成り得るとしたら何を表しているのかについて考えた。 ③【復習の内容】 トピック名 電池効率と安全性を向上させるにはどうしたらよいか 電解質がうまく溶けないと電気が流れない分熱エネルギーに変換されるといっていたので、電解質に着目するとよいと考えた。
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A.①電池の性能や容量は、使用する電極材料や反応物質の種類・量によって決まる。例えば、電池の理論容量は、物質1モルあたりに流れる電気量を使って計算される。ただし、実際には電極反応に過電圧と呼ばれる、反応に必要な余分な電圧がかかるため、理論よりも効率が落ちることがある。 また、乾電池のような一次電池では、エネルギーを長期間保存できるストレージ特性が重要で、自己放電が少ないことが求められる。 そして、電圧を高くするには、直列に電池をつないだり、反応の起電力が大きい物質を選ぶ必要がある。 このように、物質の性質や構造が電池の設計や応用に大きく関わっている。 今回のグループワークは、市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうである。 ②演題は市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうで、グループ名は名無し、属した人は、山口竜輝、佐藤光介、藤森隼也、松原周凛、西島光汰郎、須藤春翔であり、役割は調査係。 アルカリ電池について見積もりを立てた。 亜鉛と二酸化マンガン分子量は65.4と86.9より足して152.3になる。このことを踏まえてエネルギー密度を計算した。 ③私は、電池はなぜ劣化するのかについて調べた。 1つは自己放電であり、内部の化学反応により電荷が失われる現象がおきる。この現象は温度上昇で加速される。次に、電解液・極材劣化 腐食や水分侵入で内部抵抗が増大し、漏れ電流が発生しやすくなることである。そして、外装シール劣化も挙げられる。ケースやパッキンの劣化により、気密性が低下しガス漏れや湿気進入を招いてしまうからである。 これらを防ぐことで、電池の劣化が妨げられ、長く持つ電池が開発できるのだと分かった。
A.①13回目は腐食電流などについて学んだ。アノードが勝手に腐食することをストレージ特性といい、ストレージ特性にたいへん優れているのが乾電池であることを学んだ。また、電圧を大きくするためには、最も卑金属であるLiを使うべきであることも学んだ。実験などにおいて、エステルは特徴的にフルーツ系の良い匂いがするために、もし実験でエステルをこぼしたりしたときに匂いで判別できるという豆知識も聞いた。1970年にリチウム電池が出始めたことも学んだ。 ②グループワークでは、市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうというテーマをもとにリチウム電池について議論した。方針として、リチウム電池の理論容量を求め、重量エネルギー密度を求めてから、体積エネルギー密度を求める必要があると分かった。計算すると、重量エネルギー密度は247wh/kgになり、体積エネルギー密度が600wh/Lになった。これで、最大エネルギー密度求めることができた。 ③授業で犠牲防食について触れていたので、今回は犠牲防食についてまとめた。まず、犠牲防食とは、自分より腐食しやすい金属をあえて取り付けて、そちらを先に腐食させることで、守りたい金属を腐食から守る方法である。犠牲防食は、金属の腐食を防ぐ方法のひとつで、非常にシンプルかつ強力な技術である。例として、鉄を守るために亜鉛を使ったりする。電子を犠牲陽極が供給することで、鉄は還元状態に保たれ腐食しないシステムを使っている。よく、犠牲陽極に使われる金属は、亜鉛、アルミニウム、マグネシウムである。
A.①本講義では電気化学の基本として、電子の流れにかかわるアノードとカソード、それらをつなぐ電解液という三つの重要な構成要素について学んだ。また、乾電池は向きを気にせず使え、充電の手間がなく即座に使用できる利便性があることも取り上げた。電池の性能向上には、電気量を増やすためにサイズを大きくすることや、電圧を上げるために電位差の大きい金属を選ぶことが有効であると理解した。さらに水素が発生しない有機化合物としてエステルがあり、電池が発熱すると効率が低下することも認識した。また防食についても学びトタンを例にとった。FeとZnの反応見ると（Fe→Fe2+ +2e-）この反応防ぐことを防食という。 ②グループワークではリチウムイオン電池のエネルギー密度についてまとめた。ファラデー定数と起電力とネルンストの式を用いて、エネルギー密度を算出した。 ③プリント配線基板とは電子部品を取り付けて電気的に接続するための絶縁基板に配線パターンを印刷した板のことである。
A. 講義では、腐食電流の理論式や金属間の電位差測定について学んだ。腐食電流は、アノード反応とカソード反応の電流密度の関係式から求められ、過電圧やファラデー定数、標準電極電位などが重要な役割を果たす。講義中の実験では、鉄と亜鉛の接触による腐食防止効果を理解するため、代わりに10円玉（Cu）と1円玉（Al）を用いて電位差を測定した。金属同士を離して置いた場合には約0.6Vの電位差が観測されたが、接触させた場合には0Vとなった。この結果から、両者間にオーミックコンタクトが形成されており、電子の移動が容易に生じていることが確認できた。 発表では、市販のリチウムイオン電池について調査し、その重量および体積エネルギー密度を見積もった。容量3.0Ah、質量0.045kg、体積18.5mL、電圧3.7Vのデータから、重量エネルギー密度は247Wh/kg、体積エネルギー密度は600Wh/Lとなった。これにより、エネルギー密度の評価は電池の用途に応じて使い分ける必要があることが明らかになった。 復習では、腐食防止と電池性能の関係性について考察した。腐食を防ぐためには、電極材料の組み合わせが重要であり、これは電池でも同様に、電極材料の選定が電気化学的安定性や寿命に直結する。したがって、材料科学と電気化学の理解を組み合わせることで、高性能かつ長寿命な電池設計が可能になると考えられる。
A.①工学部で使うファラデー定数は26.8Ah/molで覚えておくと有利だと学んだ。オーミックコンタクトは半導体と金属間で電流が障害なく流れる接触である。一方、局部電池は異なった種類の金属間で電位差が生じ、腐食反応が進む接触である。局部電池では電子の流れにより局所的に腐食が起こってしまい安定性に欠けるが、オーミックコンタクトはデバイスの安定動作に不可欠である。また、固相反応は形の変化がないという利点を活かして、乾電池に二酸化マンガンを入れることにより内部構造を維持しているのだと学び感銘を受けた。 ②マンガン電池のエネルギー密度を求めた。反応に関与している電子数が2なので、電気量は26.8 × 2 = 53.6 Ah/molとなり、電圧を1.5Vとおくと、エネルギーは53.6 Ah/mol × 1.5 V = 80.4 Wh/molとなり、Znの原子量65g/molで割ると1.24Wh/gとエネルギー密度を求めることが出来る。この時亜鉛で考えたのは、亜鉛が主な電子供与体と考えたからである。 ③電池のエネルギー密度を大きくするための方法を考えた。例えば電池の起電力を高めるために、酸化還元電位差の大きい材料を選んだり、リチウム金属やニッケルなどのエネルギー密度の高いものを正極、負極に用いればいいと思った。
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A.①オーミック接触とはZn、Feをくっつけるなど、電位差がない状態を作ることなんだ。ファラデー定数は9500C/molと習ったけど、これは理学の使い方で、工学では26.8Ah/molを使うんだ。電気量を大きくするには容量を大きくしたり電圧を高くすればよいんだよ。電池のエネルギー密度を計算してみよう。 ②「市販の電池の最大エネルギー密度を見積ろう」グループ名：いろはす 菅井、秋山、福田 役割：可視化 アルカリ単三乾電池は電圧1.5V、電気容量2.5Ah、主さ0.023kgである。1.5*2.5/0.023=163Wh/kgよりエネルギー密度は163Wh/kgであると計算した。 ③電池の安全性を調べた。リチウムイオン電池の充放電効率は95%である。リチウムイオン電池は自己放電が殆どなく内部抵抗も低いため、放電効率が高いという特徴がある。電池効率を向上させるには、リチウムの貯蔵容量を増やすことが考えられる。従来のグラファイトからシリコンにすることで貯蔵容量を3~5倍向上させることができるとあった。 電池が熱暴走するメカニズムは、過充電によって正極の電位が上昇し、電解液が酸化分解されることで発熱する。セパレータが徐々に収縮し、電極端部のセパレータがなくなって短絡が発生することで、物理的なメカニズム同様に種々の化学反応が誘発され、セパレータの収縮も加速していき熱暴走に至る。安全性を向上させるには、セパレータを丈夫なものにすればよいと考える。現在はポリエチレンのセパレータが開発されている。
A.①第十三回目の授業では電気化学の基礎事項として溶液側から電子を受け取る極であるアノード、溶液側に電子を渡す極であるカソード、この両極に挟まれた溶液である電解液の三要素について学びました。乾電池の特徴は逆さまにしたり横にしたりでき、充電が不要ですぐ使うことができるなどがあり、エネルギーを大きくする方法としては電気量を大きくするには電池を大きくする、電圧を高くするためには卑の金属を使う、水素が発生しない有機物はエステルである、電池は熱を出すと効率が落ちるということを知りました。 ②ワークショップでは市販の電池の最大エネルギー密度についてまとめました。グループではリチウムイオン電池について話し合い理論容量を求め、重量エネルギー密度を求め、そこから体積エネルギー密度を求めました。 ③授業後の発展として電池効率と安全性を向上させるための方法をまとめました。電池効率を向上させる方法はより高伝導性・反応性の高い材料の使用、安定なSEI膜の使用、電解液の工夫があります。熱暴走とは電池内部の発熱が加速的に進み、連鎖的に温度が上がり続ける現象であり、安全性を高めるためには不燃性電解液の使用、BMSによる電圧・温度・電流監視、過熱時に電流を遮断するPTC素子やセーフティバブルの設置が重要となることがわかりました。
A. 講義では、電池反応に関する熱力学と電位の関係について学んだ。特に、標準電極電位から自由エネルギー変化ΔGを求める式ΔG = －nFEが紹介され、電気化学反応の自発性をエネルギー的に理解することができた。また、実際の電池の反応における濃度の影響についても触れられ、ネルンストの式を用いて起電力の変化を定量的に表す方法を学んだ。さらに、局所電池の概念や、金属表面で生じる微小な電池反応が腐食の原因となることも印象的だった。 グループ発表では、一次電池と二次電池の構造や反応機構に加えて、それぞれの放電・充電の挙動について詳しく調査した。具体的には、乾電池やアルカリ電池、リチウムイオン電池を例に取り、それぞれの正極・負極材料と電解質、そして放電反応の電位差について解説を行った。また、リチウムイオン電池では、Li?の移動とそれに伴うグラファイトとLiCoO?との間の酸化還元反応を取り上げ、充電・放電サイクルの仕組みやエネルギー密度の高さについても説明を加えた。 全体を通じて、電池の反応は単に電気を生み出すだけでなく、材料の性質や反応条件によって大きく性能が左右されることを実感した。特に、電位差が生じる原理を熱力学的に捉える視点や、反応の可逆性と効率性を理解することは、今後のエネルギーデバイスの設計において不可欠であると感じた。今後はより複雑な反応系にも対応できるよう、定量的な考察力を高めていきたい。
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A.電池をテーマに授業を行った。世界初の電池は亜鉛と銅を電極に、ZnSO4 水溶液とCuSO4水溶液を電解液に用いたダニエル電池である。リチウムイオン電池ではLi++e=Liの反応式では充電する際に右方向に反応が進み、放電する際には左方向に反応が進む。電池効率を表す式として-G=nFEcell=n1n2F(ΔE)というものを学んだ。この時のファラデー定数Fは工学で扱う際は26.8[Ah/mol]で用いるのが好ましい。 この授業での演題は市販電池の最大エネルギー密度を見積ろうだった。共同著者は西島、松原、山口、須藤、藤森であった。アルカリ電池は正極に酸化マンガン、負極に亜鉛を使っており、これらの物質の標準電位差を使うことが分かった。 復習では以下の内容を行った。実用電池に亜鉛とアルカリが採用されるのは、亜鉛が安価で理論容量に優れ、?0.76 Vの標準電極電位により1.5 Vを安定供給できる点と、アルカリ電解（KOH）が高いイオン伝導度で内部抵抗を低減し大電流取り出しや長寿命化を実現するためである。酸性電解質に比べ自己腐食や自己放電が抑制され、高温低温でも安定動作できる点も実用性を高めている。
A.""【講義の再話】 私たちの生活を支える電池には、一次電池と二次電池がある。電池はエネルギーを貯めておけるものでり、それはエネルギー密度によって知ることができる。過去にも講義したが、電池の起電力は化学ポテンシャル÷電子のモル数で表される。 実用電池のエネルギー密度を求めてみる。 電池の体積、重量、起電力、蓄えられているエネルギーから、重量エネルギー密度 [Wh/kg]と体積エネルギー密度 [Wh/L]を求めることができる。 この重量エネルギー密度と体積エネルギー密度を比較することで、その電池がどのような用途に向いているかなどを考察することができる。例えば、ボタン電池等の薄い電池は、重量エネルギー密度が体積エネルギー密度の半分以下であり、重量を軽くすることに特化した電池であるとわかる。""
A. 電気量と物質量は比例している。半導体基板と金属を接触した時に、それぞれの仕事関数、電子親和力の違いから界面に生じる接触障壁を小さくし、印加電圧の方向により生じる電流の整流性を抑制し、電圧ー電流特性が線形になるものをオーミックコンタクトという。乾電池は傾けられる、電線がなくても使えるというメリットがある。 演題は「市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろう」、グループ名はかき氷、共同著者は鈴木純奈、須田琥珀、松本碧衣、私は調査を担当した。ペーパーラインド方式乾電池は、質量145g、電圧15V、サイズ約33mm×61.5mmである。電力量は1.5V×4.5Ah＝6.75Wh、質量エネルギー密度は6.75Wh/0.145kg＝46.6Wh/kg、体積エネルギー密度はV＝π(33/2)?×61.5＝0.0524L、6.75/0.0524＝129Wh/Lとなる。 復習として、一次電池と二次電池を比較する。一次電池は使い切りタイプで、放電後に再充電できない電池（例：乾電池）である。一方、二次電池は充電によって繰り返し使用できる電池（例：リチウムイオン電池）である。二次電池はスマートフォンや電気自動車などに使われ、資源の有効活用にもつながる。用途によって使い分けられていることを知り、電池の役割の大きさと進化に感心した。
A.1/講義の再話：「二次電池」 充電式電池（二次電池）は、放電時に起きる化学反応を、外部から電気エネルギーを加えることで逆反応として起こし、再び使える状態に戻す仕組みである。しかし、可逆的に反応を進めるためには、単に化学種の状態を戻すだけでは不十分であり、電極材料の「構造」や「形状」まで元に戻す必要がある。これができないと、容量の低下やサイクル寿命の短縮につながってしまう。 2/発表の要旨：「市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろう」 私たちのグループが選んだのは、ポータブル機器や電動工具、EVバッテリーなどで広く使われる18650型リチウムイオン電池である。このタイプについての技術情報は以下となる。 寸法：直径18?mm × 長さ65?mm 公称電圧：3.6?3.7?V 容量：約1800?3500?mAh 質量：40?50?g（平均値を取って45gになる） 次に重量エネルギー密度（Wh/kg）を計算する。 実例：3000?mAh × 3.7?V = 11.1?Wh 質量 45?g（0.045?kg）として、11.1/0.045 =246.667 Wh/kg ぐらいとなる。 3/復習の内容：リチウムイオン二次電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、その変換効率を「電池効率」と呼ぶ。電池効率は主に「電圧効率」と「電流効率」の積として定義される。電圧効率とは、充電電圧に対する放電電圧の比であり、内部抵抗や過電圧が大きいと低下する。一般にリチウムイオン電池の電圧効率は約90％程度である。一方、電流効率は、充電によって蓄えられた電荷に対して放電時に取り出せる電荷の比で、これは副反応が少なければほぼ100％近くに保たれる。
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A. 電気化学では、1モルの電子が持つ電荷量を示すファラデー定数が重要な役割を果たす。この値は実用上、約26.8アンペア時とされ、電気化学反応の計算に用いられる。腐食を防止するための対策として、水銀が利用されることがある。水銀を用いると、水素の発生が抑制され、腐食反応が止まるためだ。また、電池などにおいて、使わないときの自己放電を抑えることは、長期的な性能維持のために非常に重要である。リチウムは水と激しく反応するため、電池の電解質として水溶液を使用することができない。そのため、エステルなどの非水溶媒が用いられる。しかし、固体の状態で反応が進む「固相反応」の場合、反応が緩慢であるため、あまり大きな変化は期待できない。リチウム電池は、この問題を解決するためにリチウムを用いたもので、電解質に非水溶媒を使用することで、リチウムの特性を活かしている。水酸化カリウム（KOH）は、水に非常に溶けやすい性質を持つ。そのため、アルカリ電池など、水溶液を電解質として用いる電池に利用されることがある。 グループワークではペーパーラインド方式乾電池について調べた。二酸化マンガンMnO2のアノード、カソード、全反応の式を示した。 水銀について調べた。水銀は常温で液体の唯一の金属元素で、原子番号80、記号Hgを持つ。高密度で揮発性があり、蒸気は有毒で神経系に影響を及ぼす。温度計や蛍光灯、金の精錬などに用いられてきたが、環境汚染の原因となるため規制が強化されている。化学的には酸化物やアマルガムを形成しやすい特性を持つ。
A. 金属が腐食する際に流れる電流のことを腐食電流という。オーミックコンタクトとは金属が接触する際に電圧の極性によらず電流が流れやすい状態のことである。実際に、手のひらにのせた1円玉と10円玉の電圧をはかると0.596Vであるのに対し、2枚のコインを接触させて電圧をはかると0Vである。電流を大きくするには、電気量を大きくするまたは電圧を高くする必要がある。電圧を高くするには卑金属をリチウムにする方法が挙げられるが、リチウムは禁水性物質であるため、実際にはエステルを使う。 グループワークでは「電池のエネルギー密度」について議論を行った。電池としてリチウムイオン電池を選択した。まず、理論容量を求め重量エネルギー密度を求めた後、体積エネルギー密度を求めた。実際に計算してみると、重量エネルギー密度は247Wh/kgであり体積エネルギー密度は6.00Wh/Lという計算結果が得られた。 復習として「ストレージ特性」について調べた。ストレージ特性とは、電子回路や半導体デバイスにおいて、電荷やエネルギーが一時的に蓄積される性質を指す。情報やエネルギーの一時保存に利用される例が挙げられる。エネルギー効率や信号整形にも関わるため、電子デバイスの高性能化や低消費電力化において重要な設計要素であるのだと学んだ。
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A.①リチウムイオン電池の構造や反応に関する知識を整理した。正極材料にはLiCoO?やMnO?、負極にはLiやLiC?が用いられ、それぞれの電極反応式（Li? + e? → Li）が示される。これらにより電池が放電・充電を繰り返す仕組みを理解した。また、電池容量を高めるための工夫や、再利用を可能にする電解合成技術も学び、電池性能と環境対応への視点を得た。さらに、ファラデー定数（26.801 Ah/mol）を用いることで、電気量と反応物の関係を定量的に把握し、エネルギー変換の理解を深めた。これらの知識は、より効率的で持続可能な電池技術の応用につながると考えられる。 ②リチウムイオン電池の特性を示している。質量エネルギー密度は150～270 Wh/kg、体積エネルギー密度は250～730 Wh/Lと記載されており、軽量かつ高容量な電池としての利点が強調されている。これにより、スマートフォンや電気自動車などの用途で広く使用されている。さらに、エネルギー密度の向上はデバイスの持続時間や性能の向上に直結するため、次世代の電池開発における重要な指標となっている。 ③リチウムイオン電池は、正極にLiCoO?やMnO?、負極にLiやLiC?を用い、Li?の脱離、挿入反応で充放電を行う仕組みを理解した。電池容量向上や電解合成による再利用技術も学び、環境負荷軽減に配慮した電池設計の重要性を認識した。ファラデー定数を活用して電気量と化学反応の定量的関係も把握した。
A.①腐食電流、局部電池、乾電池などについて学びました。 腐食における混成電位は腐食電位Ecor と呼ばれ、腐食電流密度Jcorは、外部電流Jex、酸化（金属の腐食）の際の電流Ja、還元（基本は水素イオン→水素分子）の際の電流Jbを用いた関係の式によって表されることが分かりました。局部電池は金属の防食に役立っていました。電気エネルギー「-ΔG=n(1)n(2) F(E1-E2)」(nはそれぞれの電子数)の理論値からできるだけずれないような電池をつくる、すなわち電池効率が高い電池を作るためには、電気量を大きくする必要があることが分かりました。電気量は物質量と電圧に比例しているので、これらを大きくします。個体の酸化剤と少量の電解液を充填し、このことを可能にしているのが乾電池なのだと分かりました。 ②グループ名はB班です。グループメンバーは小野翔太、浄閑祐輝、細井蓮です。発表では、電池としてリチウムイオン電池を選び、エネルギー密度を計算しました。エネルギー密度は「2 F Ecell/M」(F［C/mol］:ファラデー定数, Ecell［ｖ］：起電力,Ｍ：モル質量)によって計算しました。各値を代入して、エネルギー密度は10.4704 と求めることができました。この値は、他の乾電池以外の電池と比べて大きく、リチウムイオン電池は優秀な電池なのだと確認できました。 ③復習では、エネルギー密度について調べ、乾電池の仕組みを深堀しました。エネルギー密度とは、単位体積または単位質量当たりに蓄えることができるエネルギー（Ｊ）の量のことです。また、乾電池は化学エネルギー「ΔG=ΔＨ-ST」を電気エネルギー「ΔG=n(電子数) F Ecell」に変換する装置で陽極（アノード）には亜鉛、陰極（カソード）にはマンガン酸化物が用いられることが多く、電流を流す電解質は、ペースト状や個体のものが充填されています。電極にリチウムやマンガンなどの軽量でエネルギー密度の高い材料を用いている点、マンガンなどの酸化剤をペースト状で多く充填できる（＝物質量が大きくなる）点、エネルギー変換（化学→電気）のロスが少ない点などが、乾電池が小さな体積で多くのエネルギーを保持できる理由なのだと分かりました。
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A.①腐食電流は金属の酸化反応によって流れる電流で、電位差がない場合でも局部電池やオーミックコンタクトによって発生する。これは化学エネルギーが電気エネルギーに変換される過程であり、ギブス自由エネルギー ΔG によって駆動される。電気エネルギーは電圧と電気量で表され、電池効率は理論的な ΔG と実際の電圧との比で評価される。ファラデー定数によって電気量と物質量は比例関係にあると分かる。リチウムイオン電池は充電をすることができる。 ② ペーパーラインド方式乾電池について考えた。電池式はZn|KOH|MnO2,C|Niである。反応式より2molと1molで3Fなので、3FEcen/M=3×1.1×26.8/(63.5+65.4)=0.686である。 ③電圧効率は充電時と放電時の電圧差によって決まる。電流効率は通電した電気量に対して実際に反応に使われた電気量の割合である。これらの効率を高めるには過電圧の低減や高品質な材料の使用、充放電制御の最適化が有効である。変換されなかった化学エネルギーが熱となって発熱を引き起こすため、熱暴走の防止にはバッテリー管理システムによる温度監視、セルバランス制御、冷却機構の導入、材料の難燃化などが重要である。 充電式電池について調べた。電極構造・材料・電解質の最適化により、充放電時の化学反応を可逆に保ちつつ、活物質の形状変化も制御している。冷却機構や界面制御技術によって安全性と寿命が向上し、リサイクル性も確保されている。 金属酸化物が高い電位と安定性により正極活物質として用いられている。亜鉛は高い反応性とコスト効率から負極活物質に選ばれ、アルカリ溶液は優れたイオン伝導性と安全性から電解液として利用されている。
A. 第13回の講義の講義では、腐食電流について学んだ。腐食電流とは、金属が電解液中で腐食反応を起こす際に流れる微弱な電流を指す。腐食電流は腐食速度に比例し、腐食電流が大きいほど腐食が早く進行する。これは、腐食電流密度として表され、単位時間あたりにどのくらいの金属が溶けるかを表す指標となる。また、腐食電流の測定にはターフェルプロット法が良く用いられることが分かった。 グループディスカッションでは、「演題：市販の電池のエネルギー密度を見積ろう（グループ名：左前、共著者名：大濱風花、久保明裕、石毛翼、HUYNHVINH KHANG、役割：書記）」をテーマに話し合いを行った。私たちはリチウム18650電池について考えた。体積エネルギー密度について、次のように計算を行った。 実例：3000mAh×3.7V=1.11Wh、質量：45g 。これより、エネルギー密度＝1.11/0.045=247Wh/kgであると求められた。 腐食電流と腐食電位についてより理解を深めるために、さらに詳しく調査を行った。鉄を例にとった場合、腐食している鉄電極を分極した場合に流れる外部電流Ｊと分極電位Ｅの関係は、アノード・カソード分極曲線で表される。これは、ネルンストの式からもその形状を把握することが可能であると分かった。
A.①第13回はエネルギー変換と化学についての授業であった。はじめに10円玉と1円玉を用いて手のひらアで局部電池を作成した。鉄の代わりに10円玉(銅)、亜鉛の代わりに1円玉(アルミニウム)を使用し、この時10円玉が貴、1円玉が卑となる。オーミックコンタクトでつなぐと電圧が0になり、腐食が始まっていると考えられる。電気量の単位はAhで表され、これに伴い実用的なファラデー定数は26.8Ah/?となる。ここで電池のアノードにリチウムを用いれば最もイオン化傾向が小さいため電池の持ちがよくなると考えられる。しかしリチウムは水と反応して爆発を起こす危険性がある。 ②授業最後の演習では市販の電池の最大エネルギー密度を求めた。班名は左前、班員は大濱風花、立花小春、石毛翼、久保明裕、HUYNHVIAHI KHANGの五人であり、役割は発言であった。私たちの班はLi電池を例に取り上げた。電気量は3000ｍAh、電位は3.7Vであるため、電力量は11.1Whである。質量は45ｇであるため密度を計算すると11.1/45×10??＝247Ｗｈ/㎏と求めることができた。 ③この授業の復習としてアルカリ乾電池の構造について調べた。アルカリ乾電池は正極に酸化マンガンなど、負極に亜鉛粉末などを用いており、電解液には水酸化カリウム水溶液が用いられている。この電池と、正極と負極を分離させるセパレーター、乾電池の形を保護する外装缶などで構成されている。
A.化学エネルギーが電気エネルギーへと変換される仕組みを学ぶ。化学エネルギーはギプスの自由エネルギーΔGとして、電気エネルギーはFEcellとして表される。一次電池は放電のみ可能で、一度使い切ると再利用できない電池である。例として乾電池やアルカリ電池がある。一方、二次電池は充電によって繰り返し使用可能であり、内部の化学反応を可逆的に行うことができる。代表例として鉛蓄電池やリチウムイオン電池がある。二次電池はスマートフォンや電気自動車などの現代機器に広く使われている。 グループワークでは私たちの班では円筒型アルカリマンガン電池を選んだ。円筒型アルカリマンガン電池の代表的な規格と寸法は単3電池の場合、14.5mm×50.5mmであった。質量は23gであり、公称電圧は1.5Vであった。容量は約2500mAhであった。エネルギーは電圧×容量で求められる。よってエネルギーは1.5V×2.5Ah=3.75whである。また、質量エネルギー密度は163wh/kgであり、体積エネルギー密度は446wh/Lであった。 復習として一次電池、二次電池の破損の原因について調べた。一次電池や二次電池の破損は、主に過充電・過放電、外部からの衝撃、内部短絡、温度の急変などが原因となる。特に二次電池では過充電による内部圧力の上昇やリチウム析出が破損や発火のリスクを高める。一次電池では液漏れやガス発生が破損につながる。また、不適切な使用環境（高温・湿気）や誤った機器への装填も破損を引き起こす要因となる。
A.１．水溶液中で鉄が腐食するのは、鉄が陽イオンとなって溶けだし、放出した電子が腐食電流となって流れるという局部電池作用によるものである。これらは、電池の電極などでよく起こり、式で表すとギブズエネルギーを用いることで示すことができる。ΔG=nFE nには単位がなく、fはファラデー定数で求めることができる。 電力量と電気量は似ているが異なるものであり、電力量はkWhで表すことができ、電気量は、Ahで表す。 ２．私たちのグループでは、グループ名をB班とし、教科書に記載されているリチウムイオン電池の特性からエネルギー密度を計算し求め、ディスカッションした。 ３．電池効率について調査した。リチウムイオン電池では重電に使うエネルギー量よりも放電で使用するエネルギー量が小さいため、その分の差が、損失となって効率を下げることがわかった。
A.①腐食電竜について。腐食における混成電位は腐食電位と呼ばれる。 エネルギー変換の式について。電池効率を100%にしたい。Fはファラデー定数。電気量と単位物質量当たりの電気量。電気量と物質量が比例する。 ｋWhは電力電量(エネルギー)、Ahは電気量。ファラデー定数は26.8[Ah/mol] 電池のストレージを大きくする方法は、電圧を高くしたり、電気量を大きくしたり、マンガンとリチウムを使ったりすることで成立する。リサイクル方法としては電解合成を市溶けたリチウムを還元して戻す(充電) ②発表ではペーパーラインド方式乾電池について調査した。形式は質量145g、電圧は15V、サイズは約33㎜×61.5㎜である。電力量は6.75wh、質量エネルギー密度は46.6wh/㎏、体積エネルギー密度は12.9wh/Lである。 ③復習では固相反応について調査した。溶媒を用いずに個体同士が直接反応する化学反応のことである。溶液中で行う反応とは異なり、固体状態での反応メカニズムや、溶液中では起こりにくい反応を研究する上で重要である。
A.この講義では主に電池について学んだ。世界初のダニエル電池について紹介され、エジソンにより発展されたとされている。このダニエル電池は亜鉛と銅の電極を多孔質の隔膜で隔て、硫酸亜鉛水溶液と硫酸銅水溶液を用いることで安定した電圧を供給できる実用的な電池となった。また初期の乾電池の構造についても紹介され、二酸化マンガンや炭素にのりを加えたものに炭素棒を差し込み、電池としたものである。現在プラス極が凸状構造となっているのはこの頃の炭素棒を使った構造の名残であると言われている。また近頃はリチウムイオン電池というものも開発され、これは普通の電池とは異なり放電の逆反応を起こさせることで充電を可能とした電池で二酸化マンガンとリチウムなどにより構成されている。 発表では市販のアルカリ乾電池の最大エネルギーを計算したが時間が足りず計算が出来なかったため計算過程を発表とした。一般的にアルカリ乾電池ではプラス極に二酸化マンガン、マイナス極に亜鉛を使用していることが調査により判明したためそこから計算を行った。 復習としては電池が時代の流れと共にどのように変化していったのかをまとめることで復習とした。電池の歴史は、ボルタ電池の登場から始まった。19世紀初頭に発明されたボルタ電池は初期の電気化学研究を加速させたが、分極による電圧低下が課題だった。1836年にダニエル電池が発明され、この問題が解決されて実用性が向上した。20世紀に入ると、マンガン乾電池や鉛蓄電池が普及し、携帯機器や自動車に利用された。エジソンもニッケル鉄アルカリ蓄電池を発明し、耐久性の高い電池を開発した。現代では、スマートフォンや電気自動車の普及に伴い、高エネルギー密度と長寿命を特徴とするリチウムイオン電池が主流となっている。軽量化と小型化が進み、社会のあらゆる場面で電池が不可欠な存在となっている。今後は、さらなる安全性やエネルギー密度の向上、次世代電池の開発が期待されていることが分かった。
A.
A. 腐食電位とは腐食における混成電位のことである。腐食電位Ecorにおける電流はJa=JOfeexp[αanaF(Ecor-E〇Fe)/RT]とJc=JOHexp[-(1-αC)nCF(Ecor-E〇H)/RT]を用いてＪex=JA+JCの式で表される。トタンは鉄に亜鉛メッキを施したものである。化学エネルギーのΔＧは熱を表すnRTや力を表すPV、電気を表すzFEに変換することができる。また、kWhは電力量を示し、Ahは電気量を示す。ファラデー定数は一般的には9.65×104C/molとされているが、実用的なファラデー定数は26.8Ah/molである。 円筒型アルカリマンガン電池の代表的な規格と寸法を調べた。単3電池は14.5mm×50.5mmであり、質量は約23gである。公称電圧は1.5Vであり、容量は約2,500mAhである。エネルギーは電圧×容量で示され、1.5V×2.5Ah＝3.75Whである。また、質量はエネルギー密度で求められるので37.5Wh/0.023kg≒163Wh/kgである。また、体積も同様に37.5Wh/0.0084L≒446Wh/Lである。携帯機器(リモコンや懐中電灯)では携帯機器が重視され据置型機器や狭いスペースの搭載では体積が重視される。 今回の授業で取り扱った腐食電位の応用例について調べた。腐食電位は、金属の腐食挙動を評価するための重要な指標であり、インフラや産業設備の保守に応用される。例えば、鉄筋コンクリート構造物では腐食電位を測定することで、鉄筋の腐食進行状況を非破壊で診断できる。また、ステンレス鋼の孔食やすきま腐食の評価にも用いられ、材料選定や防食設計に役立つ。このように腐食電位は、現場環境における耐食性評価や腐食予測に広く活用されている。
A.①今回の授業では、手のひらに等の10円玉とアルミの1円玉を乗せ、突き刺すように電極を当てた。この状態では電子が流れていなかった。2つの硬貨を載せると電子が流れるようになった。これは電位差によりアルミが陽極、銅が陰極となり、電子がアルミから銅へ流れるという電気化学反応が起こったからである。 ②「人はなぜ、情報に、エネルギーを使うのか」嶋貫莉花、羽生胡桃、遠藤由里香、白坂茉莉香 記録 グループワークでは私たちの班では円筒型アルカリマンガン電池を選んだ。円筒型アルカリマンガン電池の代表的な規格と寸法は単3電池の場合、14.5mm×50.5mmであった。質量は23gであり、公称電圧は1.5Vであった。容量は約2500mAhであった。エネルギーは電圧×容量で求められる。よってエネルギーは1.5V×2.5Ah=3.75whである。また、質量エネルギー密度は163wh/kgであり、体積エネルギー密度は446wh/Lであった。 ③硬貨を乗せた時のみに電子が流れた理由を詳しく考えた。アルミニウムの標準電極電位が－ 1.66vであり、銅の標準電極電位が+0.34vであった。これにより電位差が生まれたことがわかる。また、この時、手汗が電解質の役割を果たし、微小な電池を作ったと考えられる。また、亜鉛や鉄マグネシウムやアルミニウムでも、このような現象を起こすことができる。手のひらで観察できるものの例として、アルミホイルとステンレススプーンをレモン汁に浸すと酸性の電解質で電位差が生じ、アルミが腐食しやすくなる。
A. 腐食電流、トタン、局部電池、ギブズエネルギー、乾電池などのこれまで学習してきたものをより深掘りした講義であった。 発表では、市販の電池の最大エネルギー密度を見積ろうという課題で、自分たちのグループはアルカリ乾電池の単三を選んで調査した。電圧は1.5V、容量は2.5Ahで、重さを23gであるとしたときの最大エネルギー密度は163W/kgであった。 復習として、局部電池について考えた。局部電池とは、金属表面の局所的な部分で異なる電気化学反応が起こり、その部分間で微小な電池が形成される現象のことで、これにより、金属が特定の箇所から腐食する原因となる。局部電池が引き起こす腐食の種類として、ピット腐食（点状の深い穴あき）、すきま腐食（隙間内部で進行する）、応力腐食割れ（SCC）などがある。防止法として塗装、メッキ、コーティングで表面均一化による表面処理。耐食性の高い合金の使用する。塩分除去、乾燥、適切なpH管理 などでの環境管理。外部から電気を流して腐食を抑制する陰極防食などが考えられる。
A.①③半導体と金属の接合において、電流がスムーズに流れる接触のことをオーミックコンタクトという。特徴は、電流ー電圧特性が直線的でオームの法則に従うということと、電流は1方向だけでなく、両方向に自由に流れるということ。これがなぜ重要かというと、半導体デバイスでは、電極からキャイアを出し入れする必要があり、このとき接触抵抗が大きいと、デバイスの動作に支障がでるため、金属と半導体の境界では電気がスムーズに流れるオーミックコンタクトを形成することが不可欠である。 続いて、一般的な乾電池は、カソードに酸化マンガンが使用される。電池はストレージ特性が重要であり、ストレージ特性とは電池が放電せずにどれだけ長期間安定に保存できるかを意味する。酸化マンガンは化学的に安定であるため、長期保存に適し、ストレージ特性が高い。そこで、より大きなエネルギーを得るには、電子数を増やすか、電位差を大きくする必要があり、卑金属を使えば良いとわかる。しかし、リチウムは非常に反応性が高く、水と激しく反応して水素を発生させ発火の危険性が高いため、プロトン性溶媒では使用不可能である。したがって、非プロトン性有機溶媒を用いることで、軽量かつ高エネルギー密度の電池が完成するということになる。 ②グループワークでは、単3アルカリ電池の最大エネルギー密度の見積もりをした。電圧は、1.5V、容量は2.5Ah、質量0.024kgのとき、電池のエネルギーは3.75Whとなる。エネルギー密度は、エネルギーを質量で割れば良いので、約156Wh/kgとなり、1Wh=3600Jより、5.6×10^5 J/kgとなった。
A. 金属が周囲の環境によって劣化する現象を腐食と呼ぶ。これは、金属表面に生じる酸化還元反応の一種である。例えば、鉄が水滴に触れると、酸素が還元される正極反応と鉄が酸化される負極反応が同時に起こり、局部的に電池が形成される。この局部電池の働きによって、鉄は溶け出し、錆びが発生する。この腐食を防止するためには、電位がより低い金属を接触させて代わりに酸化させる犠牲陽極法や、表面に不動態皮膜を形成させる方法など、様々な対策がとられている。 電位-pH図（プールベダイアグラム）を作成し、金属の安定領域や腐食傾向を視覚的に示した。鉄やアルミニウムなどの代表的金属が、どのpH・電位条件下で安定であるかを分析し、腐食防止に役立つ指標であることを確認した。 身近な環境条件（海水や中性土壌など）に金属が置かれた場合の腐食挙動を想定し、電位pH図を用いた予測の有効性を実感した。材料選定や表面処理の方針を立てる上で有用な手法であると理解した。
A.金属同士の接触はオーミックコンタクトと言い、電位差は0である。アノードは卑金属、カソードは貴金属を用いることが多い。乾電池は、備蓄用だったり、持ち運びするため、事故放電しないストレージ特性が重要になる。電気エネルギーを増やすには、電気量を増やしたり、電圧を高くする必要があり、電圧を高くするためにリチウムが用いられた。ただし、リチウムは水と反応し発火するため、エステルを使って保存する。リサイクル電藍合成は充電を意味する。電池内では、固相反応が起きている。 卑金属は、鉄やアルミ、銅、亜鉛など貴金属以外のことを表し、日常生活で多く利用されている。貴金属は、金、銀、プラチナなど8種類あり、希少性が高く、さびにくい金属である。貴金属のパラジウムは、燃料電池や電子部品に使われていたり、プラチナは触媒や医療分野の利用、金は電子部品に利用など、それぞれ異なる特性を持ち、様々な分野で重要な役割を持っている。
A.①今回の授業では、始めに過電圧について学んだ。理論値から実測値を引いた値が過電圧である。エネルギーは熱RT,力ｐVである。モル当たりの電気量をファラデー定数で表す。光はプランク定数とνで表される。ΔGはギブズの自由変化エネルギーである。これが全て電気エネルギーに変えたときに－ΔG＝ｎFEcellで表される。ファラデー定数はC/molで表すことができる。 ②グループワークでは私たちの班では円筒型アルカリマンガン電池を選んだ。円筒型アルカリマンガン電池の代表的な規格と寸法は単3電池の場合、14.5mm×50.5mmであった。質量は23gであり、公称電圧は1.5Vであった。容量は約2500mAhであった。エネルギーは1.5V×2.5Ah=3.75whである。また、質量エネルギー密度は163wh/kgであり、体積エネルギー密度は446wh/Lであった。 ③今回の講義では、始めに腐食電流について復習を行った。腐食における混成電位を腐食電位といい、この付近での電流を腐食電流という。また過電圧について学んだ。過電圧は、過剰に加えなければ反応が進まない電圧である。また、トタンについて学んだ。鉄の上に亜鉛を乗っける。二つをぴったりくっつけると二つの間に電位差はなくなり、オーミークコンタクトという。また、電気の物性値について復習をした。示量因子は電気量、示強因子は電圧である。また、ΔGと電気エネルギーの関係は―ΔG＝nFEcellである。また、Fはファラデー定数であり、電気量と物質量が比例することを示す。また、ファラデー定数は26.8Ah/molで暗記することを学んだ。
A. 腐食電位とは、腐食における混成電位である。実際の電圧よりも高い電圧をかけないといけない、これを過電圧という。 化学エネルギーはギブスの自由エネルギーとなる。熱エネルギーはRT、力エネルギーはｐV、電気エネルギーはF(ファラデー定数)で表せる。 －ΔG＝ｎFE＝ΔG１―(―ΔG２)＝ｎ１ｎ２Ｆ(Ｅ１―Ｅ２)より、電位は紫京院氏であり、量論的な数とは無関係である。Ｆは物質量に比例する。Ｆは単位当たりの物質量molの電気量Cである。電気量はAｈで表される。ファラデー定数は２６．８【Ah/mol】である。 自己放電とは、アノードが勝手に腐食する現象であり、ストレージ属性が高い。エステルはフルーティなにおいがある。 電解合成(充電)はリサイクルとなる。二酸化マンガンとリチウムの電池の反応を固相反応という。 グループワークでは、ペーパーラインド方式乾電池を取り挙げる。カソードの二酸化マンガンとアノードの亜鉛の全反応である。亜鉛は１molで、二酸化マンガンは２molであるため、３Fとなり、ファラデー定数はF＝26.8である。３FE/M＝1.1×26.8/63.5+65.4で求めることができる。
A. エネルギー変換の一例として、化学反応により電気を取り出す一次電池と二次電池がある。一次電池は使い切り型で、ZnとFeのような異種金属が接触すると局部電池ができ、Znが腐食することで電流が生じる。これが腐食電流である。また、腐食における混成電位は腐食電位と呼ばれる。一方、二次電池は充放電が可能で、電気エネルギーを化学エネルギーとして蓄える。これらは燃料電池にも応用され、水素と酸素の反応により電流を発生させる。いずれも化学反応と電気エネルギーの相互変換を利用している。 市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろうの発表ではリチウムイオン電池を選んだ。グループ名は未定であり、グループメンバーは私を含め、菅野隼太郎、那須桂馬、小池快成であった。また、私の役割は調査であった。リチウムイオン電池の質量エネルギー密度は150～270Wh/kgであり、体積エネルギー密度は250～750Wh/Lであることがわかった。 一次電池の一種としてアルカリ乾電池の構造について調べた。アルカリ乾電池は、外側の鋼製缶が正極（MnO?）、中心の亜鉛粉が負極として働く。電解質には水酸化カリウム（KOH）などのアルカリ性溶液が用いられ、高いイオン伝導性を持つ。反応はZnが電子を放出して酸化され、MnO?が還元される。缶の内側には絶縁体があり、漏液や短絡を防止する構造となっている。高エネルギー密度と長寿命が特長で、リモコンや時計など日常的に広く使用されている。
A.【講義の再話】 電圧はアノードとカソードによってできており、アノードは燃料であり主なものは水素である。カソードは酸化剤であり、主には酸素である。 固体の酸化剤はで使いやすいのは2酸化マンガンである。2酸化マンガンのマンガンは4価であった。それを混ぜて粘度上にして炭素棒を差し込みキャップをすることで近代の電池が出来上がった。これにより横にしたり逆さまにすることもできるようになった。 電圧を大きくするにはより負な金属を用いるとよい。亜鉛の代わりにLiを用いることが挙げられる。Liは水と反応して水素を発生させる禁水性物質であるため、危険である。油は非極性であるため、非プロトン性のエステルを用いる必要がある。このままだと電池の中でLiが解けっぱなしであるため、電解合成(充電)をしてリサイクルを行っている。反応の際はリチウムが解けてLiイオンになる。二酸化マンガンはリチウムと結合して酸化マンガンリチウムになった。この二つの違いは、両側の物質が固体なのか片方が固体でもう片方が液体化である、Liはイオンから固体に戻る際にとげとげに戻ったりするが、酸化マンガンが関わる方は両方固体なので固相反応であり、形が変わりにくい。その為負極も正極も固相反応にすることが電池においては大切である。 これがリチウムイオン電池の仕組みである。 【発表の 要旨】 演題は電池の種類と仕組みについて、グループ名は怒りマークで、グループに属した人は高橋香桃花、三船歩美、原野美優、大阪琉音、鈴木結唯、増子香奈であった。私は調査係としてペーパーラインド方式乾電池について調べた。2酸化マンガンを用いており、標準電極電位から起電力を求めることができた。 【復習の内容】 エステルは果物の良いにおいがすることが分かった。このことから、エステルが漏れ出ているときは果物のにおいがするかどうかで判断できることが分かった。
A.
A.現代p96 腐食電流とは？ P97 過電圧Eex-E η 現代p6 アノード、カソード、電解質 4.12カソード式、4.11アノード式 同時に進む オーミックコンタクト 一円玉(卑)と十円玉(貴)で電位をみてみよう 重ねないと○○V、重ねてオーミックコンタクトするとゼロになった(亜鉛が溶けているはず) ギブスの自由エネルギーΔG° 電気エネルギー zFE ( eV) 光エネルギー hv 熱mRT,力pV(示強因子、示量因子） 現代p63 ΔG°=zFEについて -ΔG°=nFEell=ΔG1-(-ΔG2)=n1n2F(E1E2) 電池効率-ΔG°を100パーセントn1n2F(E1E2)にしたいけど、稼働による熱や膨張により効率が落ちる。。 F:ファラデー定数 電気量∝物質量よりF=96485C/mol ファラデー定数は、電子1molあたりの電気量（クーロン）を表す kwh(電力量、エネルギー) Ah電気量 P88 現代 問題3.1 略解p309より ファラデー定数F=26.8［Ah/mol］ リチウム電池危ない 燃料電池 ガスなので持ち歩きで便利 電線が届かないところで電池が活躍 始まりはダニエル電池(エジソンの蓄音機) 液体なので倒れるとこぼれる 電池のよう量は物質の値で決まってくる →固体でやりたい(二酸化マンガン) 4価から3価へ イオン結合なので電気流れない→炭素の煤混ぜる(舞わないようにのりをつける) 電極いれて、キャップして、シールする のりを少しだけ使っているので乾いてる→乾電池 ダニエル電池と違って横にできる！ リチウム電池と違って充電不要！すぐ使える 腐食してZn2+が出てきてしまう、、 Hg.Cdを使うとピタットとまる でも環境に悪いので違う金属が使われている 自己放電(アノードが勝手に腐食すること)しない！ ストレージ 二つのエネルギーを 電気量を大きくする(電池をでかくする=電極の物質量を多くする) 電圧を高くする(できるだけ卑な金属を使う=リチウム) リチウムは水と反応して水素発生、最悪水素爆発 電池内に水が入っているので危険！ 油(非極性)を使った電池は？ ほとんどは塩を溶かせない →リチウムに対応するのはエステルしか使えない！ ?エステルはフルーツの香り? 電池から漏れてたら分かる、、！ 四日市 プロピレンカーボネイト Zn|ZnClaq|MnO2 Li|LiClOxPC|MnO2 水ダメ絶対！結露もだめ！ 丁寧に作ったやつを一回で使っちゃうのはもったいない リサイクルを考えよう 電解合成(充電) リチウムを還元して戻す Li+ + e-??Li MnO2+Li++e-??LiMnO2 両側が固体なのか、液体に溶けてるのかが違う 固相反応でトゲトゲした固体が析出 ワークショップ エネルギー密度の計算
A.①活性態と不動態について学びました。 見かけ上反応がおこらなくなることを不動態化といいました。プリント配線についても学び、教科書でFe3++e-⇔fe2+ 0.771 この式を見つけました。 ②グループワークではペーパーラインド方式乾電池について調査しました。形式から電池式を推測し、電力量、質量エネルギー密度、体積とエネルギー密度を求めることができました。 ③金属類について復習しました
A.
A. ①テーマは電池についてである。まず、デモンストレーションとして10円玉と1円玉を手のひらに乗せて電位を測ると、適当な電位が計測できる。しかし、10円玉と1円玉を重ねると電位は0になった。これは、オービックコンタクトによるものである。次に、電池のエネルギーを大きくする方法には2つある。1つ目は物質量を大きくする、つまり電池を大きくすることだ。2つ目は電圧を高くすることだ。電圧を高くするにはより卑な金属を使えばよい。 ②市販の電池の最大エネルギー密度を見積る発表では、Li 18650電池を選んだ。グループ名は未定で、グループのメンバーは私を含めて立花小春、HUYNHVINH KHANG、大濱風花、久保明裕であり、私の役割は調査であった。消費電力量は11.1Whで、質量が0.045kgだったのでエネルギー密度は、247Wh/kgと求められた。 ③13-01【平常演習】「実用電池にはなぜ亜鉛とアルカリが使われるか」で取り組んだ内容を次に示す。正極活物質に二酸化マンガンなどの金属酸化物が使われている理由は、電子を受け取ることができ、化学的にも安定で、入手しやすいからである。負極活物質として亜鉛が使われている理由は、電子を放出しやすく、アルカリ溶液内で安定で、安価で入手できるからである。電解液にアルカリ溶液が使われている理由は、イオン電導性が大きく、亜鉛との相性が良いからである。
A.今回は過電圧について学びました。電圧から起電力を引いたものを過電圧ということがわかりました。例えば、水の電気分解について、理論上と実際の電圧が異なることがあります。このことが過電圧だと学びました。また、腐食電流についても学びました。腐食は局部電池で金属が酸化される現象だと知りました。これは金属の溶解速度に比例することがわかりました。局部電池は電流が発生した場所に局部的な腐食が進行することだと理解しました。アノード、カソードの一部が腐食することを表していることがわかりました。また、化学エネルギーはギブズの自由エネルギーであることを知りました。エネルギーは熱でnRTで表され、Rが示量因子で、Tが示強因子だと習いました。何回もでてくることなので覚えることができました。また、ギブズの自由エネルギーはG=zFEで表され、zは移動する電子で、Fはファラデー定数で、Eは電位差であることを学びました。 グループワークでは、アルカリ電池の反応について反応式を書きました。
<!-- 課題 課題 課題 -->
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<q><cite>
</q></cite>
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<!-- 課題 課題 課題 -->
大学教育の質の保証・向上ならびに 電子化及びオープンアクセスの推進の観点から 学校教育法第百十三条に基づき、 教育研究活動の状況を公表しています。
第百十三条 大学は、教育研究の成果の普及及び活用の促進に資するため、その教育研究活動の状況を公表するものとする。
