バッテリーの動作原理：バッテリーはどのように動作するのか

バッテリーの動作原理

バッテリーは、電解質と金属の酸化還元反応に基づいて動作します。異なる種類の金属（電極と呼ばれる）を希釈された電解質に浸すと、電極の金属の電子親和性に応じてそれぞれの電極で酸化還元反応が起こります。酸化反応により、一方の電極は負に帯電しカソードと呼ばれ、還元反応により、もう一方の電極は正に帯電してアノードと呼ばれます。

カソードはバッテリーの負極を形成し、アノードは正極を形成します。バッテリーの基本原理を理解するためには、まず電解質と電子親和性についての基本的な概念を持つ必要があります。実際、異なる種類の金属を電解質に浸すと、これらの金属間に電位差が生じます。

特定の化合物を水に加えると、それらは溶解し、負イオンと正イオンを生成することが知られています。このような化合物を電解質と呼びます。一般的な電解質の例としては、ほとんどの種類の塩、酸、塩基などが挙げられます。中性原子が電子を受け入れる際に放出されるエネルギーを電子親和性と呼びます。異なる材料の原子構造が異なるため、異なる材料の電子親和性も異なります。

異なる種類の金属を同じ電解質溶液に浸すと、一方は電子を得、もう一方は電子を放出します。どちらの金属（または金属化合物）が電子を得て、どちらが失うかは、これらの金属の電子親和性によって決まります。電子親和性が低い金属は、電解質溶液の負イオンから電子を得ます。

一方、電子親和性が高い金属は電子を放出し、これらの電子は電解質溶液に出てきて、溶液の正イオンに加わります。このようにして、一方の金属は電子を得、もう一方は電子を失います。その結果、これら2つの金属間で電子濃度の違いが生じます。

この電子濃度の違いにより、金属間に電気的電位差が発生します。この電気的電位差または起電力は、電子回路や電気回路における電圧源として利用することができます。これが一般的かつ基本的なバッテリーの原理であり、バッテリーの動作方法です。

すべてのバッテリーセルはこの基本原理に基づいています。順番に説明しましょう。以前述べたように、アレッサンドロ・ヴォルタが最初のバッテリーセルを開発しました。このセルは一般的に単純なヴォルタ電池として知られています。この種の単純なセルは簡単に作成できます。容器を取り、硫酸の希釈液を電解質として満たします。次に、亜鉛と銅の棒を溶液に浸し、外部に電気負荷を接続します。これで単純なヴォルタ電池が完成します。外部負荷を通って電流が流れ始めます。

硫酸の希釈液中の亜鉛は以下の通り電子を放出します：

これらのZn + +イオンは電解質に移動し、各Zn + +イオンは棒に2つの電子を残します。上記の酸化反応の結果、亜鉛電極は負に帯電し、カソードとして機能します。したがって、カソード近くの電解質中のZn + +イオンの濃度が増加します。

電解質の特性により、硫酸の希釈液と水はすでに正のヒドロニウムイオンと負の硫酸イオンに分解されています：

カソード近くの高濃度のZn+ +イオンにより、H3O+イオンは銅電極に向かって反発し、銅棒の原子から電子を吸収して放出されます。以下のような反応がアノードで起こります：

銅電極で起こる還元反応の結果、銅棒は正に帯電し、アノードとして機能します。

ダニエルセル

ダニエルセルは、硫酸銅溶液を含む銅製の容器で構成されています。銅製の容器自体が正極として機能します。硫酸の希釈液を含む多孔質の壺が銅製の容器内に配置され、硫化された亜鉛棒が硫酸に浸漬されて負極として機能します。

多孔質の壺内の硫酸の希釈液が亜鉛と反応し、結果として水素が放出されます。反応は以下の通りです：

多孔質の壺内でZnSO4が形成されても、ZnSO4の結晶が析出するまでセルの動作には影響しません。水素ガスは多孔質の壺を通ってCuSO4溶液と反応します：

生成された銅は銅製の容器に沈殿します。

バッテリーの歴史

1936年の夏、イラクのバグダッド近郊で新しい鉄道線路の建設中に古代の墓が発見されました。その墓から見つかった遺物は約2000年前のものでした。これらの遺物の中には、ピッチで密封された土器の壺があり、その密封された上部からは鉄棒が円筒形の銅板で巻かれた管状の構造から突き出していました。

発見者はこれらの壺に酸性の液体を注ぎ込んだところ、鉄と銅の間に約2ボルトの電位差があることを確認しました。これらの土器の壺は2000年前のバッテリーセルであると疑われました。彼らはこの壺をパルティアバッテリーと名付けました。

1786年、イタリアの解剖学者であり生理学者であるルイジ・ガルヴァーニは、死んだ蛙の足を2種類の異なる金属で触ると、足の筋肉が収縮することに驚きました。

彼は実際に何が起こっているのか理解できなかったため、バッテリーセルの最初の発明者として知られることがありませんでした。彼は組織の性質による反応だと考えました。

その後、アレッサンドロ・ヴォルタは、蛙の足ではなく塩水に浸した段ボールを使用して同じ現象を確認しました。彼は銅の円盤と亜鉛の円盤を塩水に浸した段ボールで挟み、銅と亜鉛の間に電位差があることを確認しました。