実験で学ぶ電池の基礎 ―― モバイル機器を安全に設計するために知っておきたい
電池は用途に応じてさまざまなパッケージのものがあります.広く使われている単3乾電池など互換性を重視するものは,国際電気技術委員会(IEC)規格や日本工業規格(JIS)などで形状や外形寸法が規定されています(表1,表2).電池の外形寸法には許容差が認められています.電池ケースの機構設計の際は許容差を考慮する必要があります.
種類 | 記号 | 種類 | 正極 | 電解液 | 負極 | 公称電圧(V) |
1次 電池 | 記号なし | マンガン乾電池 | 二酸化マンガン | 塩化亜鉛水溶液 | 亜鉛 | 1.5 |
C | 二酸化マンガン・リチウム電池 | 二酸化マンガン | 非水系有機電解液 | リチウム | 3 | |
E | 塩化チオニル・リチウム電池 | 塩化チオニル | 非水系有機電解液 | リチウム | 3.6 | |
F | 硫化鉄リチウム電池 | 硫化鉄 | 非水系有機電解液 | リチウム | 1.5 | |
S | 酸化銀電池 | 酸化銀 | アルカリ水溶液 | 亜鉛 | 1.55 | |
Z | ニッケル系1次電池 | オキシ水酸化ニッケル | アルカリ水溶液 | 亜鉛 | 1.5 | |
2次 電池 | H | ニッケル水素電池 | ニッケル酸化物 | アルカリ水溶液 | 水素吸蔵合金 | 1.2 |
K | ニッケル・カドミウム電池 | ニッケル酸化物 | アルカリ水溶液 | カドミウム | 1.2 | |
IC | リチウム・イオン電池 | リチウム複合酸化物 | 非水系有機電解液 | 炭素 | 3.7 |
JIS C8500-2006,IEC60086-1,JISC8708-2007,JIS8705-2006,JISC8711-2006 から抜粋
国際規格(IEC,JIS) | 寸法(mm) | 日本の呼び方 | |
高さ | 直径 | ||
R20 | 61.5 | 34.2 | 単1形 |
R14 | 50 | 26.2 | 単2形 |
R6 | 50.5 | 14.5 | 単3形 |
R03 | 44.5 | 10.5 | 単4形 |
R1 | 30.2 | 12 | 単5形 |
2 電池の原理と構造
● 電池の原理
電池とは,イオン化傾向(イオンになりやすい順番)の異なる2種類の金属電極(正極と負極)と電解液を用いて,酸化および還元反応を利用して電子の流れを生みだし,電気を生じる装置と定義されます.分かりやすい電池の原理は山形県高等学校教育研究会理科部会化学専門部会のWebページにアニメーションとして掲載されています.
マンガン乾電池内での放電反応を例に電子の流れを追うと,(1)亜鉛が酸化されて電子が外部回路へ流れる→(2)外部回路,集電体である炭素棒,導電助剤を通って二酸化マンガンへ電子が移動する→(3)二酸化マンガンが水酸化マンガンに還元される.
少し話は専門的になりますが,放電時の電池の模式図を図3に示します.また,そのときの電池の等価回路を図4に示します.電池に負荷を接続したときは電池の端子間電圧(aとeの間の電圧)は降下します.この電圧降下が電池の内部抵抗によるロスになります.
電池の内部の様子を詳しく説明すると,図3と図4のaとeのインピーダンスが電池全体のインピーダンスとなります.aからbの間は電池内部での電子の移動による電気抵抗です.bからcの間では実際の正極での反応が起こります.そこでは電子を受け取るイオンであるカチオンが電解液中から電気二重層Cdlを経て活物質へ侵入し,拡散が起こります.この電極での反応は,反応抵抗Rctと電極内のイオンの拡散によるワールブルグ(Warburg)インピーダンスWで表現されます.省略しますが,負極でも同じような化学変化が起きています.cとdの間は電解質のイオン移動抵抗になります(3).一般に電池の内部抵抗と定義されているのは上記に挙げた抵抗成分をすべて加算したものになります.電池の等価回路は電池内部での動作を理解しやすくしたものなので,等価回路は電池の種類や説明する目的によって異なってきます.
電池の内部抵抗は電池材料の特性によって決まります.電池を開発する際には電池内部のインピーダンスを測定できる装置を使って,電池の交流インピーダンスを測定します.
マンガン乾電池の交流インピーダンスの測定結果を図5に示します(4).交流インピーダンスの測定にはインピーダンス・メータ(横河電機製WT1600FC)を使いました.
縦軸はリアクタンス,横軸が抵抗.
電池開発の現場では,電池の特性を図5のように表します.これは,図3に示す電池の内部構造を直感的に理解できる表現(Cole-Coleプロット)です.Cole-Coleプロットを利用すれば,電池を分解することなく,内部がどのようになっているかを評価できます.