バッテリーの充電と放電

この主題、つまりバッテリーの充電と放電について詳しく説明する前に、酸化と還元が何であるかを理解しましょう。なぜなら、バッテリーは酸化還元反応により放電または充電されるからです。
酸化と還元の理論を理解するためには、化学反応の例を直接見ることができます。亜鉛金属と塩素との反応を考えてみましょう。

上記の反応では、亜鉛（Zn）は最初に2つの電子を放出し、正イオンになります。

ここで、各塩素原子は1つの電子を受け取り、負イオンになります。

これらの相反する電荷を持つイオンが結合して、亜鉛塩化物（ZnCl2)が形成されます。
この反応では、亜鉛が電子を放出するため酸化され、塩素が電子を受け取るため還元されます。
原子が電子を放出すると、その酸化数は増加します。ここでの例では、亜鉛の酸化数は0から+2になります。酸化数が増加するため、この部分の反応は酸化反応と呼ばれます。一方、原子が電子を受け取ると、その負の酸化数が増加します。つまり、原子の酸化数はゼロ基準に対して減少します。酸化数が減少または還元されるため、この部分の反応は還元反応と呼ばれます。

バッテリーの放電

バッテリーには、電解液に浸漬された2つの電極があります。これらの2つの電極に外部負荷を接続すると、一方の電極で酸化反応が始まり、同時に他方の電極で還元反応が起こります。
酸化が起こる電極では、電子の数が過剰になります。この電極は負極またはアノードと呼ばれます。

一方、バッテリーの放電時には、他の電極で還元反応が起こります。この電極はカソードと呼ばれています。アノードで過剰になった電子は、外部負荷を通じてカソードに流れます。カソードではこれらの電子が受け入れられ、つまりカソード材料が還元反応に参加します。
アノードでの酸化反応の生成物は正イオンまたはカチオンであり、これが電解液を通じてカソードに流れ、同時にカソードでの還元反応の生成物は負イオンまたはアニオンであり、これが電解液を通じてアノードに流れます。
バッテリーの放電を実際の例で説明しましょう。ニッケルカドミウムセルを考えます。ここでは、カドミウムがアノードまたは負極です。アノードでの酸化反応では、カドミウム金属がOH – イオンと反応し、2つの電子を放出し、カドミウム水酸化物になります。

このバッテリーのカソードは、ニッケル酸水素または単純にニッケル酸化物でできています。カソードでは還元反応が起こり、これによりニッケル酸水素は電子を受け取り、ニッケル水酸化物になります。

バッテリーの充電

バッテリーの充電時には、外部DC電源がバッテリーに接続されます。DC電源の負極はバッテリーの負極またはアノードに、DC電源の正極はバッテリーの正極またはカソードに接続されます。

外部DC電源により、電子がアノードに注入されます。アノードで還元反応が起こります。実際に、バッテリーの放電時には、カソードで還元反応が起こります。この還元反応により、アノード材料は電子を取り戻し、バッテリーが放電されていない状態に戻ります。
DC電源の正極がカソードに接続されているため、この電極の電子はDC電源の正極に引き寄せられます。結果として、カソードで酸化反応が起こり、カソード材料もバッテリーが放電されていない状態に戻ります。これがバッテリーの充電の基本的な原理です。

再充電可能なニッケルカドミウムセルの例を考えてみましょう。バッテリーの充電時には、チャージャーDC電源の負極と正極がバッテリーの負極と正極に接続されます。アノードでは、DC電源の負極からの電子の存在により還元反応が起こり、カドミウム水酸化物は再びカドミウムになり、水酸化イオン（OH–）を電解液に放出します。

カソードまたは正極では、酸化によりニッケル水酸化物がニッケル酸水素になり、電解液溶液中に水を放出します。

バッテリーの充電時には、二次バッテリーは元の充電状態に戻り、さらなる放電に備えます。

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