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電池

目次 †

電池 †

• 乾電池1本あたり1.5Vの直流電源を持つと広く知られているが、実際には内部に出力抵抗もあり、電力を取り出していくと新品の時には1.7V近くあり、徐々に下がり始め、やがて1.0Vを下回り電流を取り出せなくなる。
• 乾電池がなくなったとみなす電圧のことを放電終止で夏と呼ぶ。
  • アルカリ電池では一般的に1.0〜1.1Vに設定されている。
  • マンガン電池の場合は0.8〜0.9Vを放電終止電圧としている。
  • アルカリ電池を前提した設計とマンガン電池を前提にした設計では変わってくる。そのため、現在ではアルカリ電池を前提として、マンガン電池の使用を推奨しない機器が増えている。

電池の分類 †

電気を得る方法による分類 †

化学電池 †

　物質の化学反応から電気を得るタイプの電池。

　電解液（電気を通す水溶液のこと）の中にあるプラス極とマイナス極の間で起こる化学反応で、プラス極とマイナス極の間を電子が移動して電流が発生する。なぜ電解液を使うのかというと、電気を通さない液体では、仮に化学反応が起きたとしても電気は発生しないからである。

　この化学反応を起こす物質を活物質【カツブッシツ】と呼ぶ。この活物質を最初から密閉して電気を取り出すタイプが活物質保持型であり、外部から活物質を供給することができるタイプが活物質供給型と呼ぶ。化学電池は活物質の保持か供給で、さらに細かく分類できる。

• 活物質保持型
  • 一次電池：使いきり電池。基本的に放電（不可逆反応）のみ。
    • 例：乾電池
  • 二次電池：充電できる電池。
    • 例：自動車用バッテリー
• 活物質供給型
  • 燃料電池：酸素と水素などから電気を取り出す。
    • 例：電気自動車用バッテリー、人工衛星用バッテリー

　なぜ、一次電池と二次電池という名前がついたかというと、昔は発電機がなかったので、電池から充電していたため、充電できない電池が一次電池、蓄電池が二次電池と呼ばれたのが所以である。

[補講]一次電池の充電器も売られていることを知っているだろうか。つまり、一次電池も充電は可能なのだ。しかし、一次電池用の活物質は充電に不向きであり、無理やり充電すると発熱して液漏れしたり、破裂する可能性がある。

物理電池 †

　物質の物理的な変化から電気を得るタイプの電池。

　光などの外部エネルギーにより、プラス極活物質とマイナス極活物質の間を電子が移動して電流が流れる。

例：太陽電池、原子力電池　◇

生物電池 †

　生物化学反応から電気を取り出すタイプの電池。厳密に言えば、生物電池も化学反応から電気を得るので化学電池に含まれるはずだが、特殊なのでこのように分けられる。

例：酸素電池、微生物電池

電池の形による分類 †

• 円筒形電池
  • 単1形〜単5形
• ボタン形電池
• コイン形電池
• ピン形電池
  • 電気浮きなどに使われる。
• ペーパー型電池
• 角形電池（006P形電池、積層形電池）
  • 自動車用バッテリー、海水電池など。
• プレート形電池（ガム電池）
• パック形電池
  • 円筒形電池を２つ組み合わせた電池。
• 組電池
  • 同じ円筒形電池を複数個繋げた電池。

記号による分類 †

　上記で化学電池の一次電池、円筒形電池にはLR20（IEC/JIS表記）などの記号で表すことをできることを示した。他にも、使用している活物質や形状ごとに記号が割り振られていて、記号から形状、プラス極活物質とマイナス極活物質、電解液の種類などを判断できる。

使用している化学物質を表す記号 †

形状を表す記号 †

円筒形電池の記号 †

例1：CR2032

　これは直径コード20（直径20mm）、高さコード32（高さ32mm）の二酸化マンガンリチウム電池を意味する。

例2：2CR5

　これはCR5タイプの電池が2つ組み合わさった電池を意味する。

電池と発電機の違い †

1. 化学電池、物理電池、生物電池
   • クリーン度・エネルギー効率が高い。
   • 大規模発電・発電量は低い。
2. 燃料電池、太陽電池
3. 水力発電、火力発電、原子力発電
   • クリーン度・エネルギー効率が低い。
   • 大規模発電・発電量は高い。

電解液と個体電解質の違い †

• 電解液
  • 原子がイオン化しやすい水溶液。
• 個体電解質
  • イオンから分離した電子が移動できる固体。
  • 液漏れの心配がなく、特定のイオンのみが電荷をもつというメリットがある。
  • 伝導率が悪いというデメリットもある。
  • 安全性が第一のピースメーカー、温度差の激しい宇宙での利用される電池用に向いている。

放電特性 †

　放電特性とは、簡単にいうと使い始めてから電池がなくなるまで、どのように電気が減っていくかという性能のことである。

電圧と持続時間の関係 †

　マンガン電池やアルカリ電池は持続時間が経つにつれて、だんだん電圧が低くなるが、急に電圧がガクンと下がることはない。

　一方、リチウム電池・酸化銀電池・空気ボタン電池などは電圧は一定のままで、寿命が来ると急に電圧が下がる。

　乾電池型二次電池（ニッカドまたはニッケル水素）の公称電圧は1.2Vなので、一次電池の1.5Vよりも低く表示されている。しかしながら、二次電池は実際には1.5Vと表示された一次電池と同等に使える。

　まず第1に、電池は使用開始直後からゆるやかに電圧が下がるものであるからである。

　第2に、二次電池は一次電池ほど電圧が低下しない。蓄えられた電力と使い切る直前になって急激に電圧が下がるものである。

[補講]デジタルカメラなどの一部の機器では、アルカリ電池よりも長持ちするほどである。　◇

マンガン乾電池長持ちさせる方法 †

　電池の寿命を長くするには、連続使用をせずに、断続的に使用することである。なぜならば、乾電池内で生成される不要物質が消滅するまでに時間がかかり、断続的使用の場合、発生電圧の回復がうまく働くからである。

例：ドラえもんの大長編第一作目の「のびたと恐竜」でも、タケコプターの電池を長持ちさせるために、1日数時間だけ稼動させて残りは休ませるという戦法と使っていた。

電圧と持続時間と温度の関係 †

　放電特性は使用している温度によって大幅に異なる結果になる。つまり、電池は温度変化に敏感といえる。

• 常温
  • 常温で保管される電池は、1年間で約3〜5%自己放電している。
• 低温
  • 保管温度が-20℃以下になると電解質が凍りつき、電池として働かなくなる。
• 高温
  • 保管温度が高くなるほど、自己放電量は多くなる。

　例えば、ボタン電池は室温では持続時間が長いが、気温0度ではまったく役に立たない。逆に、インサイドアウト構造の電池では活物質にも依存するが、気温マイナス20度の方が長持ちする電池もある。

メモリー効果 †

• 二次電池（バッテリー）の電圧が低下する現象のこと。
  • バッテリーに蓄えられた電力を完全に使い切らないまま繰り返して使用すると発生する。
• バッテリーが本来持っている寿命とメモリー効果はまったく関係ない。
• 素材にニッカドまたはニッケル水素を使用した電池において、顕著にメモリー効果が起こる。
  • リチウムイオンのように物理的にメモリー現象がありえない構造を持つバッテリーも存在する。

バッテリーを長持ちさせるには †

よけいな機能は使わない †

• 電池やバッテリーを長持ちさせるには、できるだけ余計な機能を使わないことが一番である。
  • ポータブルオーディオ機器であれば、液晶のバックライトを点灯させたり、イコライザ機能を有効にしたり、巻き戻し・早送りを行うなどの行為は、電池やバッテリーを消費する大きな要因になってしまう。
  • デジカメであれば、フラッシュをたいたり、液晶ビューを使うとバッテリーを消費しやすい。

長時間放置しない †

• 何もしない状態であってもバッテリーの放電は行われている。
  • そのため、長時間放置すると蓄えた電力を使い切ってしまう過放電の状態になってしまうことがある。よって、機器を付かない場合でも1,2ヶ月に1度は充電すべきである。
    • 特にリチウムイオンバッテリーの場合、通常は過充電・過放電を防ぐ回路が組み込まれているが、仮に過放電になってしまうと2度と充電できなくなってしまうので注意が必要である。
• ニッカド電池やニッケル水素電池は、使わずに放置しても電力が減っていく自己放電という現象がおきてしまう。
  • 特に摂氏40度以上の高温では著しく放電が進むため、涼しい場所に保管する。

電極をきれいに保つ †

• 電極が汚れた状態でバッテリーを充電すると、充電器が充電を止めるタイミングを測り損ねてしまうことがある。
• バッテリーを扱うときはプラス・マイナスの両極に素手で触れないようにする。
  • もし触れてしまった場合には無水アルコールでふき取っておくとよい。
  • あるいは乾いた布地で拭くだけでも効果はある。

新旧混ぜて使わない †

• 新旧のバッテリーを混ぜて使用すると、古いバッテリーに引きずられる形で新しい電池の寿命は縮んでしまう。
  • 特に、二次電池は使い続けるうちに電圧が低下するため、同時に使用すると電圧が最も低い電池、即ち古い電池は過放電状態になってしまい、ダメージを受けてしまうのである。

メモリー効果が起こさない方法 †

• メモリー効果の原因は完全放電しないうちに充電してしまう、いわゆる継ぎ足し充電にある。よって、面倒であってもバッテリーを完全に使い切ってから充電を開始し、満充電になるまで待てばメモリー効果は発生しにくくなる。

[補講]バッテリーを完全に使い切るというのは機器がまったく反応しなくなる状態のことではない。そのような状態は過放電と呼ばれ、むしろバッテリーの寿命を短くしてしまう。テスターを使って電子的に判定しない限り、バッテリーが過放電かどうかを正確に判定することは難しい。よって、普通に使用していて電圧が低下し始めた頃が充電するタイミングであると判断すればよい。　◇

メモリー効果を解消する方法 †

• 完全放電と満充電を2〜3回繰り替えすとメモリー効果を解消することができる。
  • つまり、メモリー効果とは使用できない部分が一時的に生じてしまう困った現象ということになる。
• 市販されている充電器にはメモリー効果を解消する機能（リフレッシュ機能）を備えたものが存在する。

電池の液漏れ †

　アルカリ乾電池の中には電解液として水酸化カリウムが入っており、万一、液漏れで皮膚に着くとそりゃもう大変な事になる。もし、皮膚に着いてしまった時は水で洗い流し、医師の治療を受けるのが理想的である。

各種電池の特徴 †

バグダッド電池 †

• オーパーツのひとつ。
• 大きさは高さ約10cm、直径約3cm程度。
• 土器の中には鉄の棒と銅の筒が入っていて、その底には何らかの液体が入っていた痕跡を示すシミが残っていた。電解液としてワインビネガー（酢）を入れて電池として使える。
• 紀元前2世紀頃。現在のところ、世界最古の電池といわれている。
• バグダッド近郊ホイヤットランプファ遺跡で1932年に発掘される。
• 電圧：0.9〜2V程度
• 装飾品のメッキに用いられたといわれている。10円程度の大きさでも数十時間かかってメッキできる。

ボルタの電錐【デンスイ】 †

• 世界初の動電気発生装置。
• 世界最初の化学一次電池。
• （銅、海水に浸した画用紙、亜鉛）の組み合わせを連続して縦に積み上げた電池。
• 金属の重みで塩水が流れ出てしまう欠点がある。

ボルタの電池 †

• 電錐構造からコップ構造へ進化。
• プラス極に銅板、マイナス極に亜鉛板、電解液に希硫酸液。
  • H2SO4+Zn→ZnSO4+H2
• 起電力1.1V
• 1799年に完成。
• 発生する水素ガスH2が気泡としてくっつき、電子と水素イオンの結合が邪魔される。よって、結果的に電気が流れなくなってしまう。
  • 何らかの現象により化学反応が促進されなくなる現象を分極と呼ぶ。

　分極を防ぐ方法は次の2通り。

• 水素が出ないようにする→減極剤を入れる。
• 水素が出ない物質にする→電極と電解液の材質を検討する。

ダニエル電池 †

• ボルタの電池では分極がすぐ発生するので改良を加えた結果が、このダニエル電池である。
• 多孔質の素焼きの仕切りをコップ構造の真中にセパレーターとして設置する。このセパレーターは小さい硫酸イオンと亜鉛イオンは通し、大きい銅イオンは通しません。よって、銅イオンはセパレーターを通過できずに硫酸銅液内に残り、銅イオンの反応は硫酸銅液内で行われる。
• 銅板側の電解液に硫酸銅液、亜鉛板側の電解液に硫酸亜鉛液。
• 世界各地で設立されてきた電信会社で使う電源として、初の実用電池として採用された。
• 佐久間象山はオランダの百科事典を手に入れると、ダニエル電池を自作したり、日本初の電信機を作ったりしている。

グローブ電池 †

• セパレーター有り。
• プラチナ板（Pt）側の電解液に濃硝酸（HNO3）、亜鉛板（Zn）側の電解液に希硝酸（H2SO4）。
• 電圧：1.8V
• 電流：12A
• 電圧が高いのがメリット。
• プラチナが高価なのがデメリット。
• 硝酸の化学変化によって、毒性の強い二酸化窒素が発生してしまうのがデメリット。
• 電圧が下がりやすいのがデメリット。
• ダニエル電池よりも高性能なので、電信会社はダニエル電池の代わりに、グローブ電池を採用した。

ルクランシェ電池 †

• 本格的な実用電池
• 電圧：1.5V
• 持ち運び可能で縦置き。
• しかし、ガラス容器が重く、溶液の管理が面倒な上に、冬は電解液が凍るというデメリットがある。
• 1887年に発表された。
• 現在のマンガン電池の原型で、構造上もほとんど変わらない。そのために、このルクランシェ電池を改良して、約20年後に世界最初の乾電池が誕生します。

ガスナーの電池 †

• 世界初の乾電池。
• 1888年に開発された。
• 電解液を水溶液からペースト状にして構造を工夫してある。
• マイナス極活物質である亜鉛を亜鉛缶として包み込むような形状にして、その中に電解液である塩化アンモニウムを入れる。この塩化アンモニウムは、粉末石膏を混ぜてペースト状にしたものにした。水分はあるが、これならこぼれる心配が軽減されるわけです。
• さらに、プラス極活物質である炭素棒と電解液である二酸化マンガンは、炭素の粉末でペースト状にしてある。この炭素の粉末は減極剤としての役割も果たすので一石二鳥である。
• セパレーターは、多孔質の紙を使用して、この紙を筒状にして漏れないようにペースト状にした二酸化マンガンを包み込むようにした。
• そして、電解液が漏れないように、全体をアスファルトで包んだ。

プランテの蓄電池 †

• 1859年に開発された。
• 初めての蓄電池。
• 鉛板部分の電解液を希硫酸、二酸化鉛板部分の電解液を希硫酸。
• 水溶液を使った電池としては驚異的な2Vの高電圧を得ることができる。 よって、直列につなぐとより大きな電力を得られるメリットがある。

屋井電池 †

• 日本人の屋井先蔵が開発。
• ルクランシェ型の水溶液電池。
• 1885年、世界初の乾電池発明。
• 1888年、液漏れを克服。
• 1892年、シカゴバンコク博覧会に出品。
• 特許をとっていなかったために、アメリカのコピー商品に市場を奪われてしまう。
• 日清戦争、日露戦争で屋井電池が採用されて、一躍屋井先蔵は「乾電池王」になる。

GS電池 †

• ペースト式鉛バッテリー
• 島津製作所で作成された。

ナトリウム硫黄電池（NAS電池） †

• プラス極活物質に硫黄（Na2SOx）、マイナス極活物質にナトリウム（Na）、電解質に固体電解質のベータアルミセラミックスを使用している。

マンガン電池 †

• プラス極活物質が二酸化マンガン（MnO2）、マイナス極活物質が亜鉛（Zn）、電解液が塩化亜鉛（ZnCl2）。
• 電圧：1.5V
• エネルギー容量は少ないが、休ませると回復する。
• 経済性が高い。
• 放電と共に電圧を低下する。
• 負荷が大きいほど電圧が急激に低下する。
• 動作温度の幅が狭い。

アルカリ電池 †

• プラス極活物質が二酸化マンガン（MnO2）、マイナス極活物質が亜鉛（Zn）、電解液が水酸化カリウム（KOH）。
• 電圧：1.5V
• マンガン電池と比較して大電流を維持できる。
• 経済性が高い。
• 負荷が大きくても電圧変動が少ない。
• マンガン電池と比較して、動作温度の幅が広い。
• 液漏れに弱く、短絡（ショート）すると、破裂しやすい。

ニッケル電池 †

• プラス極活物質がオキシ水酸化ニッケル（NiOOH）、マイナス極活物質が亜鉛（Zn）、電解液が水酸化カリウム（KOH）。
• 電圧：1.5V
• アルカリ電池と比較して高電圧を維持できる。
• 放電後は急激に電圧が下降する。
• 瞬間的な大電流に対応できる。
• 動作温度が幅広い。
• 放電寿命はアルカリ電池と同等。
• ニッカド電池に比べて、約2倍のエネルギーを蓄えることができるといわれている。
• 「mAh」と書かれている容量が大きいほど、長時間の使用が可能。

リチウム電池 †

• 軽量
• 電圧が高い。3V
• 安定した放電
• 動作温度が幅広い。
• 自己放電が少ない。

ニッカド電池（ニッケル・カドミウム蓄電池） †

• 2次電池
• 正極にニッケル酸化物、負極にカドミニウム化合物、電解液に水酸化カリウム水溶液を採用。
• 「mAh」という単位が容量を表している。
• 使い切ってから充電しないと、寿命が短くなってしまうという欠点がある。

フッ化黒鉛リチウム電池 †

• プラス極活物質がフッ化黒鉛（(CF)n）、マイナス極活物質がリチウム（Li）、電解液が有機溶媒。
• 電圧：3.0V
• 軽量
• 電圧変動が少ない。
• 同じ大きさであればより高電圧を発生する。
• 動作温度が幅広い。
• 長期保存に向いている。

二酸化マンガンリチウム電池 †

• プラス極活物質が二酸化マンガン（MnO2）、マイナス極活物質がリチウム（Li）、電解液が有機溶媒。
• 電圧：3.0V
• 放電と共に電圧が低下する。
• 瞬間的な大電流に対応する。
• 動作温度が幅広い。
• 経済的。
• 軽量。

塩化チオニルリチウム電池 †

• プラス極活物質が塩化チオニル（SOCL2）、マイナス極活物質がリチウム（Li）、電解液が非水無機電解液。
• 電圧：3.0V
• リチウム電池の中では最も高電圧
• 非常に安定した放電
• 動作温度が幅広い。
• 取扱いに注意を要する。
• 長期使用に向いている。

水銀電池 †

• プラス極活物質が酸化水銀（HgO）＋黒鉛、マイナス極活物質が亜鉛（Zn）、電解液が水酸化カリウム（KOH）。
• 電圧：1.35V/1.4V
• 非常に安定した放電。
• 電気容量が大きい。
• 低温での使用には向かない。
• 古くから使われてきた電池。
• 水銀を完全に密閉するのが難しく、乾電池として実用化したのは1942年である。
• 環境保護のため、1996年から生産中止。

太陽電池 †

• シリコンをベースとしたP型半導体とN型半導体を張り合わせたもの。
  • このP型・N型半導体の合わさった面に光があたると、P型半導体の層にプラスが、N型半導体の層にマイナスの電気が現れる。このP、N型半導体の両端にリード線を取り付ければ、このとき発生する電気を取り出すことができる。
• N型半導体の厚さは0.3mmぐらい、P型半導体の厚さは2μmぐらい。
• 太陽電池から発生する電気はかなり弱い。よって、時計、ラジオ、電卓のように小さな電力でも十分に働くものに使われている。
  • しかしながら、太陽電池をたくさん繋いで、太陽の光をいっぱいに受ければ、大きな電力を発生させることができる。 ・太陽電池を作るためには、いくつかの種類の半導体を利用することができる。

電池の取り扱いでの注意点 †

電池を分解しない †

　電池を分解すると内容物で手や衣類を汚すだけでなく、目などに入ると危険である。特にアルカリ乾電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル水素電池などの電解液には強いアルカリ性の水酸化カリウムを使用しているので、化学火傷により皮膚を傷めたり、目に入ると失明の危険性もある。万一目に入ってしまった場合はすぐにきれいな水で流し、医師の治療を受けること。

電池を火の中に入れない †

　電池を加熱したり、火の中に入れたりすると、中に入っている物質が膨張して破裂することがある。また電池の電極に直接ハンダ付けをしても同じ現象を起こすことがある。

　二次電池は直接ハンダ付けをすると、電池キャップ内に組み込まれているガス排出弁を壊してしまうことがある。

密閉された機器に使用しない †

　電池を防水構造などの密閉された機器やケースに収納すると、電池内部でガス発生し、ガス排出弁から出たガスが機器やケースに充満し破裂することがある。

電池を乳幼児の傍に放置しない †

　乳幼児が誤って電池を飲んだ場合はすぐに医師に相談しなければならない。

参考文献 †

• 『図解雑学　電池のしくみ』
• 『これだけは知っておきたいデジタル家電のしくみとポイント』
• 『電子工作ハンドブック2　回路設計　入門編』
• 『ここが「知りたい」シリーズ4　家庭の電気もの知り百科』