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

　電池は電気化学反応によって電気エネルギを発生しています．放電反応が進むに従って電極や電解質に化学的，物理的に反応を阻害する要因が現れて，内部抵抗の増加などを引き起こします．

　2次電池では充放電を繰り返すことによって，反応生成物が充電しても元に戻らないといったサイクル劣化が徐々に進みます．新品のときの内部インピーダンスと充放電を数多く繰り返した後の内部インピーダンスを比較することによって，サイクル劣化の状況を観測できます．

　2次電池の内部抵抗を上昇させる要因を図6に示しました．電池の内部抵抗の増加は，さまざまな要因で生じ，2次電池の劣化に比例します．内部抵抗が高くなる前に電池を交換する必要があります．2次電池は規定された充放電回数を超えたら，交換するようにしてください．

図6　電池の使用したときに内部抵抗を増加させる要因

● 安全に配慮した電池の構造

　電池材料を機能別に分けるとすでに挙げた正極と負極の集電体，活物質，セパレータ，電解液の四つとなります．図7のように電池内でのガス発生時に破裂を防ぐ安全弁やガスケット，温度が高くなると抵抗値が上昇するPTC素子など安全を確保するための仕組みが電池の中に組み込まれているものがあります．

図7^（5）電池の構造
（a）がアルカリ乾電池に採用されるメタル・ジャケット型，（b）がリチウム・イオン2次電池に使われるジェリー・ロール型．

　携帯電話用の2次電池を長期間使用すると膨れてくることがあります．これは電池が劣化して充電によって発生したガスがたまっている状態です．すぐに破裂するような危険はありませんが，新しい電池に交換する必要があります．

　多くの集電体や活物質は空気中では安定ですが，電解液は腐食性や揮発性の強いものが使用される場合があります．マンガン乾電池に使用される材料はそれほど危険ではありませんが，アルカリ乾電池には9mol/l の強アルカリKOH（水酸化カリウム）が電解液として入っています．皮膚に付着すると化学やけどを起こす危険があります．リチウム・イオン2次電池には空気中の水分と反応してフッ化水素を発生する有機電解液が使用されています．フッ化水素は浸透性が高く，ほかの酸に比べ人体組織の深部まで浸透して，骨のカルシウムと反応して激痛をともなう危険な物質です．現在日本で市販されている電池は内部から液漏れがしないように作られているので安全に使えます．しかし，電池を無理に分解すると危険な化学物質が出てくるので，絶対に分解しないようにしてください．

　時計やメモリ・バックアップなどに電池を使う場合は，長期間電池を電子機器の中に入れておくことになります．たとえ電池から液漏れなどが発生しても，被害が最小限となるような工夫が必要です．電池の交換周期や万一液漏れが発生したときの対応方法を取扱説明書に記載しておく必要があります．

3　電池の基本特性^（6）

　電圧-時間，電圧-電流，温度条件の違い，負荷量の違いによる電池の特性は，カタログなどに掲載されています．ここでは電池の性能を表す基本的な仕様について説明します．

（1）放電容量

　電池は，使うに従って電圧は徐々に降下していき，やがて安全に放電反応を行える限界の電圧を迎えます．このときの電圧を終止電圧といい，使い始めてから終止電圧になるまでのエネルギ量を放電容量といいます．

　多くの種類の電池が市販され，利用者がどの電池を使うのか電子機器の設計者には分かりません．乾電池で動作する電子機器を設計する場合は，最初にどの電池を使うことを推奨するのかを決めておくことが重要です．また，推奨していない電池が使われたときに電子機器がどのような動作をするのか，あらかじめ確認しておく必要があります．例えばニッケル・マンガン電池は初期の開放電圧が1.7Vと高く，電池の内部抵抗が低いため，使用できない電子機器があります．また，ニッケル水素電池は初期の開放電圧が1.4V，公称電圧は1.2Vと低いため，注意が必要です．

　放電容量とは，電池に蓄えられる電気量Qのことをいいます．

　一般に，電気量は電流に時間を乗じたものなので，Ahという単位で表現されます．電池の放電容量は活物質の量に比例するので，サイズは比例して大きくなります．大きさや重さに制約がある携帯用電子機器に使う電池を選定するときは容量密度（重量密度：Ah/kg，体積密度：Ah/l）に注目することが大切です．