市販の電池の最大エネルギー密度を見積もろう。
現代の電気化学( ペーパーラインド方式乾電池、 円筒型アルカリマンガン電池、 ボタン型アルカリマンガン電池、 コイン型二酸化マンガンリチウム電池、 円筒型型二酸化マンガンリチウム電池、 密閉式鉛蓄電池、 円筒型ニッケルカドウミム蓄電池 最新工業化学( 円筒型リチウムイオン電池 ) からひとつ選び、市販されている具体的な形式を調べ、そのおおよその重量エネルギー密度と体積エネルギー密度の上限を見積もりましょう。
例) ボタン型アルカリマンガン電池のLR44を選んだ。
panasonicの https://panasonic.jp/battery/lithium/p-db/LR44.html のサイトには、電圧1.5V、寸法約Φ11.6×5.4mm、質量約2g(1個あたり)とある。
電池式 | Zn | KOH | MnO2 , C | Ni |
カソード 反応(正極) | 2MnO2+ 2H2O+ 2e- → 2MnOOH+2OH- Eº = 0.215V |
アノード 反応(負極) | Zn(OH4)2- +2e- ← Zn+4OH- Eº = -1.285V |
全反応 | 2MnO2+ Zn+ 2H2O+ 2OH- → 2MnOOH+ Zn(OH4)2- |
起電力/V | Eº = 1.5V (公称電圧) |
理論容量 ( 電力原単位 ) | 224.0mAh/g |
理論重量エネルギー密度 | 336.0mWh/g |
形状・寸法 | 円筒(AM3、AM4)、ボタン(LR44) |
用途 | リモコン、電動ハブラシ、玩具、懐中電灯、時計 |
1950ぐらいから。
反応式より、正極活物質は、酸化マンガン(Ⅳ)、負極活物質は亜鉛である。 ここで、酸化マンガン(Ⅳ)の式量は、86.94であり、 亜鉛の式量は、65.39である。
おおよその重量エネルギー密度の上限を求める。 まず、理論容量を求める。 ファラデー定数は、26801.5mAh/molである。 反応式より、1モルの電子を出すのに必要な酸化マンガン(Ⅳ)重量は、86.94gであり、 亜鉛の式量は、32.695である。 1モルの電子を出すのに必要な活物質の総重量は、119.635gである。 よって理論容量は、 224mAh/gとなる。これに平均稼働電圧1.5Vをかければ、 おおよその重量エネルギー密度336mWh/gが得られる。
体積エネルギー密度の上限を求める。 酸化マンガン(Ⅳ)の密度は5.026 g/cm3 亜鉛の密度は7.133 g/cm3である。 よって酸化マンガン(Ⅳ)のモル体積は、17.29cm3/mol 亜鉛のモル体積は、9.16cm3/molである。 1モルの電子を出すのに必要な活物質の総体積は、21.87cm3である。 よって体積理論容量は、 1225mAh/cm3となる。 これに平均稼働電圧1.5Vをかければ、 おおよその体積エネルギー密度1837.5mWh/cm3が得られる。
LR44の重量は、2gである。 LR44の重量を、すべて活物質と仮定すれば 672mWhである。 LR44の体積は、3.14×(Φ11.6mm/2)2×5.4mm=0.57cm3である。 LR44の体積を、すべて活物質と仮定すれば 1047.375mWhである。
以上の議論より、LR44の仕様は、 重量エネルギー密度より、体積エネルギー密度を重要視する設計の方が、より多くのエネルギーを詰め込めることがわかる。逆に最大体積エネルギー密度から計算される重量より、2gと軽いのは、水や炭素など密度の小さな部材を、それなりに使う必要があることを意味している。
なお、この演習は、応用化学・化学工学コースの化学実験Ⅰ(エネルギー分野) 「酸化マンガン(Ⅳ)の還元(アルカリ乾電池)」 のテーマに対応しています。 実験テキストは、ホームページに公開されていますので、バイオ化学工学コースの方も閲覧できます。
平常演習の配点は、授業1回ごとに、一律加点です。 平常演習には、ワークショップ、意見交換、発表、質疑応答など授業時間内の学習活動を含みます。 そのほかに授業時間外の0.5時間の学習活動を含みます。 平常点は、期末にWebClassの成績評価申請書に申告していただき集計します。
授業時間外の活動の一助としてWebClassへの提出を推奨します。〆切は講義後1週間です。 ただし平常点の加点は、授業時間内の学習活動も含みますので、 WebClassへの提出のみでの、平常点の申告はご遠慮ください。
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成績評価申請書では、それぞれの授業で何を学び身につけたかを申告してもらいます。 WebClassに提出したかどうかより、身につけることを優先してください。 授業で取り上げたトピックや、グループワークの意見交換の内容は、期末までノート 1 ) などに記録しておくことを推奨します。 逆に授業に参加していないのに、WebClassの出席や提出だけの場合は不正行為として扱うことがあります。 平常の取り組みだけで、「到達目標を最低限達成している。成績区分:C」となります。 評点が60点に満たない場合は、不合格となります。 欠席した場合、課外報告書へ取り組むことで挽回してください。 出席が60%に満たない場合、課外報告書を提出しても、単位認定できません。