バッテリーは化学位置エネルギーを蓄えており、デバイスに接続すると電気エネルギーに変換されます。このエネルギーは、バッテリーが回路を完成して放電を開始するまで、原子と分子の間の化学結合の中に眠ったままになります。
バッテリーエネルギーの二面性
バッテリーは、2 つのエネルギー状態間の顕著な変換を通じて機能します。保管中、エネルギーはバッテリーの電極と電解質の分子構造内に閉じ込められた化学ポテンシャルとして存在します。-バッテリーを接続してデバイスに電力を供給すると、この保存された化学エネルギーが電気化学反応を通じて電気エネルギーに変換されます。
この二重の性質により、バッテリーは他の電源と区別されます。継続的な電気の流れを供給するコンセントや、燃焼によってエネルギーを放出する燃料とは異なり、バッテリーは化学領域と電気領域の両方を橋渡しします。バッテリー材料の化学結合は、外部回路が変換プロセスをトリガーするまで、安定したすぐに使用できる形でエネルギーを保持します。--
この変化は、バッテリーの電極での酸化還元（レドックス）反応によって起こります。{0}負極 (アノード) では、酸化により電子が放出されます。これらの電子はデバイスの回路を流れ、仕事を実行します。一方、正極 (カソード) では還元反応がこれらの電子を受け取り、サイクルが完了します。このプロセス全体を通じて、イオンはバッテリーの電解液中を移動して、充電バランスを維持します。
電池内の化学位置エネルギーを理解する
化学ポテンシャル エネルギーは、分子結合に蓄えられたエネルギーを表します。{0}化合物内の原子を結合する力です。バッテリーでは、このエネルギー貯蔵メカニズムは他のよく知られた化学エネルギー システムと同様です。ガソリン分子は化学エネルギーを蓄え、燃焼エンジンが機械エネルギーに変換します。木材には化学結合が含まれており、燃焼すると熱に変わります。バッテリーも同様の原理に従いますが、決定的な違いがあります。それは、燃焼や機械的仲介を介さずに化学エネルギーを直接電気に変換することです。
バッテリー内の特定の化合物によって、そのエネルギー容量と電圧が決まります。たとえば、リチウム-イオン電池は、グラファイトとリチウム-含有化合物の間を移動するリチウムイオンを通じてエネルギーを蓄えます。鉛酸バッテリーは、鉛、二酸化鉛、硫酸の間の反応に依存しています。それぞれの化学反応は、化学結合の強度と可逆性に基づいて、異なるエネルギー貯蔵特性を提供します。
エネルギー密度-バッテリーがその重量に対してどれだけのエネルギーを蓄えることができるか-は、その材料の化学ポテンシャルに直接依存します。エネルギー省の調査によると、主に電極に使用される化学組成と構造の最適化により、リチウムイオン電池セルのキログラムあたりのエネルギー貯蔵量が 2010 年以来 3 倍近く増加しました。{3}
化学位置エネルギーの安定性により、バッテリーは優れた蓄電デバイスとなります。電線を流れる電気 (運動エネルギー) や圧縮空気 (機械的位置エネルギー) とは異なり、バッテリー内の化学結合は最小限の損失でエネルギーを長期間保持できます。最新のリチウム-イオン電池は、アイドル状態でも 1 か月あたりの充電量のわずか 1-2% しか失われません。これは、化学結合がいかに効果的にエネルギーを保存しているかを証明しています。
エネルギー変換プロセス: 化学から電気へ
化学エネルギーから電気エネルギーへの変換には、正確に計画された原子の動きが含まれます。携帯電話の電源ボタンを押すか、車のイグニッションをオンにすると、バッテリー内で一連の化学反応を引き起こす電気回路が完成します。
変革がどのように展開されるかは次のとおりです。
アノード（マイナス端子）側、酸化反応により、電極材料内の原子から電子が剥ぎ取られます。リチウム-イオン電池の場合、グラファイトアノードのリチウム原子は電子を放出し、正に帯電したリチウムイオンになります。この電子放出により、端子の負電荷が増加します。
外部回路経由、これらの解放された電子はプラス端子に向かって流れ、デバイスを通過して途中で電力を供給します。この電子の流れは、スマートフォン、ラップトップ、または電気自動車を動かす電流を構成します。
バッテリーの内部、リチウムイオンは、液体またはゲル電解質中をアノードからカソードに向かって移動します。電解質は、電子の流れをブロックしながらイオン ハイウェイとして機能します。-電子がデバイスを通って外部経路を通過するように強制します。
カソード（プラス端子）側、カソード材料が外部回路から到着する電子を受け入れると、還元反応が発生します。同時に、電解質を通って到着したリチウムイオンがこれらの電子と結合し、電気化学サイクルが完了します。
このプロセスは、回路が閉じたままであり、反応性物質が電極で利用可能な状態にある限り継続します。生成される電圧は、-通常、アルカリ電池の場合は 1.5 V、リチウムイオンの場合はセルあたり 3.7 V です--。アノード材料とカソード材料の間の化学ポテンシャルの差によって異なります。
プロセスを逆転: 充電式バッテリー
充電式電池を使用すると、逆変換が可能になります。携帯電話の充電器を接続すると、外部から電気エネルギーが加えられ、化学反応が逆方向に進みます。アノードに強制的に注入された電子は元の化合物を復元し、バッテリーの化学位置エネルギーを再構築します。この可逆性により、充電式バッテリーは使い捨てタイプと区別されますが、各充放電サイクルでは不可逆的なわずかな変化が生じ、バッテリー容量が徐々に減少します。-
MIT の科学者らは、充電中にこれらの反応が完全に逆転しない理由を理解することが依然として活発な研究分野であると指摘しています。不完全な可逆性により、携帯電話のバッテリーが最終的に容量を失う理由が説明されます。-電極構造と電解質化学の微妙な変化が数百サイクルにわたって蓄積されます。
さまざまな電池の種類とその化学エネルギー システム
バッテリーの化学的性質は大きく異なり、使用される化学反応に基づいてそれぞれの利点が異なります。
リチウム-イオン電池
これらの主要な充電式電池は、2 つのリチウム含有化合物間のリチウム-イオンの移動を通じてエネルギーを蓄えます。-エネルギー密度が高く、-通常 1 キログラムあたり 150-250 ワット- 時間なので、ポータブル電子機器や電気自動車に最適です。化学エネルギーは、両方の電極での可逆的なリチウム挿入反応に存在します。
鉛酸電池-
1859 年に遡る鉛蓄電池は、鉛、二酸化鉛、硫酸の反応によってエネルギーを蓄えます。-放電中、両方の電極が硫酸鉛に変換され、硫酸は希釈されます。充電するとこれらの反応が逆転し、元の素材が復元されます。リチウムイオン電池よりも重く、エネルギー密度が低いですが、その信頼性の高い化学反応と低コストにより、自動車始動用途での優位性が保たれています。{6}
アルカリ電池
使い捨てアルカリ電池は、アルカリ電解液中での亜鉛と二酸化マンガンの反応を利用します。-亜鉛の酸化と二酸化マンガンの還元で蓄えられた化学エネルギーは、低ドレインのデバイスに信頼性の高い長期持続電力を提供します。-化学的性質は簡単には逆転しないため、再充電には適していません。
新興化学
エネルギー貯蔵に革命をもたらす可能性のある新しいバッテリー化学の研究が続けられています。全固体電池は、液体電解質を固体材料に置き換え、安全性を向上させながらエネルギー密度を 3 倍にする可能性があります。リチウム-硫黄電池は、さらに高い理論エネルギー密度を約束します。これらの進歩は、より軽量で安全なパッケージに、より多くのエネルギーを蓄える化学システムの発見に焦点を当てています。
化学エネルギーが電池を実用化する理由
化学エネルギー貯蔵の選択は任意ではありません。-化学エネルギー貯蔵には、次のような独自の実用的な利点があります。
エネルギー密度: 化学結合は、かなりのエネルギーをコンパクトな体積に詰め込みます。リチウム- イオン バッテリーは 150～250 Wh/kg を達成し、フライホイール (5～130 Wh/kg) や圧縮空気システムなどの機械的蓄電方法をはるかに上回ります。
保存期間: 化学位置エネルギーは長期間安定に保たれます。数時間以内に漏れてしまうコンデンサの電荷とは異なり、バッテリーの化学反応は最小限の自己放電で数か月または数年間エネルギーを維持します。-
携帯性: 電池材料の固体または半固体の性質により、ポータブル電源が可能になります。-発電所や風力タービンを簡単に運ぶことはできませんが、バッテリーに含まれる化学エネルギーは必要な場所にどこにでも行きます。
制御放出: バッテリー内の化学反応は管理可能な速度で発生し、安定した電力出力を提供します。電解質と電極の設計は、化学エネルギーが電気に変換される速度を制御し、危険な急速放電を防ぎます。
スケーラビリティ: バッテリー システムは、補聴器に電力を供給する小さなボタン電池から大規模なグリッド ストレージ設備まで拡張できます。-同じ基本的な化学反応がこの範囲全体で機能し、エネルギー容量は反応性物質の量によって単純に決まります。
エネルギーバランス: 入ったものは必ず出てくる
バッテリーのエネルギー貯蔵は熱力学の法則に従います。取り出す電気エネルギーは、充電中に蓄えられる化学エネルギーを超えることはできません。-実際には、避けられない損失により常に少なくなります。
最新のリチウムイオン電池の充放電効率は通常 80-95% の範囲です。 「失われた」エネルギーは消えることはありません。さまざまなメカニズムを通じて熱に変換されます。
電極と集電体の抵抗により、エネルギーの一部が熱として放散されます。
電解質を通るイオンの移動は摩擦に遭遇し、熱エネルギーを生成します
副反応-望ましくない化学プロセス-は少量のエネルギーを消費します
リチウム挿入時の電極材料の構造変化がエネルギーを吸収
この効率の考慮は、グリッド規模のエネルギー貯蔵などのアプリケーションにとって重要です。{0}}夜間使用のために太陽光発電を貯蔵する施設は、貯蔵サイクルにおける 5 ～ 20% のエネルギー損失を考慮する必要があります。発生する熱には、大型バッテリー設備や電気自動車の熱管理システムも必要です。
基本的なエネルギー変換はそのままです: 電気エネルギー → 化学位置エネルギー (充電中) → 電気エネルギー (放電中)。バッテリーはエネルギーを生成しません。化学反応を通じてそれを貯蔵したり放出したりするだけです。
バッテリーエネルギーの測定: 主な仕様
バッテリーのエネルギー特性を説明するいくつかの仕様があります。
容量（アンペア時またはAhで測定）バッテリーが供給できる合計充電量を示します。 2000mAh の電話機のバッテリーは、理論的には 1 時間で 2 アンペア、または 4 時間で 0.5 アンペアを供給できます。
エネルギー含有量（ワット-時またはWhで測定）は、バッテリーが実行できる総仕事量を表します。容量と電圧を掛けて計算します。3.7V、2000mAh のバッテリーには 7.4 Wh のエネルギーが含まれます。
エネルギー密度(Wh/kg または Wh/L) は、特定の質量または体積にどれだけのエネルギーが存在するかを表します。エネルギー密度が高いということは、電気自動車やポータブル電子機器にとって重要な、より軽量で小さなパッケージでより多くの電力を供給できることを意味します。{1}}
電力密度(W/kg) は、バッテリーが蓄えられたエネルギーをどれだけ早く供給できるかを示します。電動工具や電気自動車の加速など、急速なエネルギー放出が必要なアプリケーションでは、高い電力密度が重要です。
サイクル寿命容量が大幅に低下するまでにバッテリーが何回の充放電サイクルに耐えられるかを測定します。{0}この仕様は、再充電中に化学反応がどの程度うまく逆転するかに直接関係します。
バッテリーエネルギーに関するよくある誤解
誤解: バッテリーは電気を蓄える現実: バッテリーは化学エネルギーを蓄え、オンデマンドで電力を生成します。電気は電子の流れです-流れる水を貯められるのと同じように、流れる電流を「貯める」ことはできません。代わりにバッテリーはエネルギーを化学的な形で保存し、必要に応じて電流として放出します。
誤解: すべてのバッテリーは同じように機能します現実: バッテリーの化学的性質が異なると、異なる化学反応が使用されます。リチウム-イオン電池のエネルギー貯蔵メカニズムは鉛酸やアルカリ電池とは根本的に異なりますが、いずれも化学エネルギーと電気エネルギーの間で変換する基本原理に従っています。{2}
誤解: バッテリーは電気が漏れるため容量が失われます現実: 容量の低下は、電極材料と電解質の化学的性質における不可逆的な変化に起因します。イオンの挿入と除去を繰り返すと、結晶構造が徐々に変化し、新しい化合物が形成され、電解質がわずかに分解します。これらの累積的な変化により、可逆的な化学エネルギー貯蔵量が減少します。
誤解: 気温が低いとバッテリーが消耗する現実: 低温ではバッテリーからエネルギーが失われることはありません。その代わりに、エネルギー変換に関与する化学反応を遅くします。エネルギーは蓄えられたままですが、寒さでは反応の進行が遅くなるため、バッテリーが供給できる電力は減少します。
化学エネルギー貯蔵の未来
研究者が新しい化学システムを発見し、既存の化学システムを最適化するにつれて、バッテリー技術は進化し続けています。いくつかの開発により、電池が化学エネルギーを貯蔵および供給する方法が強化されることが期待されています。
全固体電池-液体電解質を固体材料に置き換えることで、より多くのエネルギーを蓄えるリチウム金属アノードが可能になる可能性があります。初期のプロトタイプは、400 Wh/kg に近いエネルギー密度を実証しています-電流のほぼ 2 倍のリチウムイオン テクノロジー-。
シリコン陽極従来の黒鉛負極と比較して、リチウムイオン容量を 20～40% 増加させることができます。{0}シリコンはより多くのリチウムイオンを収容し、同じ体積に追加の化学エネルギーを蓄えます。
高度な電解質新しい溶媒と添加剤を使用すると、化学{0}}から電気への変換における高い効率を維持しながら、電池をより広い温度範囲で動作させることができる可能性があります。-
リチウム-硫黄の化学硫黄の高いエネルギー貯蔵容量を活用することで、500 Wh/kg を超える理論エネルギー密度を提供します。現在、サイクリング中の硫黄の溶解に関する技術的課題により、商業的な実現可能性が制限されています。
ナトリウム-イオン電池重量がそれほど重要ではない定置式保管用に、リチウム ベースのシステムに代わる可能性のあるシステムを提供します。{0}ナトリウムの豊富さと低コストにより、大規模な化学エネルギー貯蔵が民主化される可能性があります。-
これらの進歩には共通の目標があります。それは、電気エネルギーへの変換効率を向上させながら、より多くの化学ポテンシャル エネルギーをより軽量で安全、より長持ちするパッケージに詰め込むことです。{0}
よくある質問
バッテリーのエネルギーは化学的なものですか、それとも電気的なものですか?
バッテリーは化学位置エネルギーを蓄え、放電中にそれを電気エネルギーに変換します。エネルギーは、保存されている間、原子間の結合に化学ポテンシャルとして存在します。活発な放電中のみ、この化学エネルギーは回路を流れる電気エネルギーになります。
バッテリーに蓄えられるエネルギーを増やすことはできますか?
バッテリーの設計容量を超えるエネルギーを追加することはできません。-これは、電極内の化学物質の量と種類によって決まります。バッテリーを「過充電」しようとすると、材料に損傷を与えたり、安全上の問題を引き起こす可能性のある反応が強制的に発生します。しかし、研究者たちは、同じ体積でより多くのエネルギーを蓄える新しい電池の化学的性質を継続的に開発しています。
充電または放電時にバッテリーが温かくなるのはなぜですか?
エネルギーを化学的形態と電気的形態の間で変換する化学反応は、完全に効率的ではありません。イオンの移動と電子の流れに対する抵抗に加えて、軽微な副反応により、一部のエネルギーが熱に変換されます。急速充電または放電によりこれらのプロセスが加速され、より多くの熱が発生します。
化学エネルギーはどのくらいの期間バッテリーに蓄えておくことができますか?
最新のバッテリーは、緩やかな自己放電により何年もエネルギーを蓄えることができます。-アルカリ電池は 5 年間保管しても 85-90% の容量を保持します。リチウム-イオン バッテリーは毎月約 1～2% で自己放電します。-バッテリー材料の化学的安定性によって保存期間が決まります。化学結合が安定すると、エネルギーがより長く保持されます。
最終的な考え
化学位置エネルギーにより、バッテリーは人類の最も多用途なエネルギー貯蔵ソリューションの 1 つとなります。このエネルギー形態は、現代文明がますます依存する、安定性、持ち運び可能、拡張性のある電力を提供します。ポケットの携帯電話から、道路を走る電気自動車、-再生可能エネルギーのバランスをとるグリッド規模の設備-まで、すべてはエネルギーを安全に貯蔵し、オンデマンドで放出する化学の能力に依存しています。
バッテリー化学の継続的な進化により、さらに効率的なエネルギー貯蔵が約束されています。研究者が新しい化学システムを解明し、既存の化学システムを改良するにつれて、バッテリーはより小型、軽量、より安全なパッケージにさらに多くのエネルギーを詰め込むようになるでしょう。バッテリーが基本的に化学エネルギー デバイスであり-電気的ではない-ことを理解すると、電化が進む世界を構築する際にバッテリーの機能と限界の両方を理解するのに役立ちます。
重要なポイント
電池屋化学位置エネルギー電極材料と電解質の分子結合における
この化学エネルギーは電気エネルギーに変換しますバッテリーがデバイスに電力を供給する際の電気化学反応による
異なるバッテリー化学（リチウム-イオン、鉛-酸、アルカリ）は異なる化学反応を使用しますが、同じ基本的なエネルギー変換原理に従います。
化学エネルギー貯蔵には次のような利点があります。高いエネルギー密度, 長期的な安定性-、 そして携帯性
バッテリー効率は 80-95% の範囲にあり、化学電気変換中に失われたエネルギーが熱に変換されます。
推奨される内部リンクの機会
バッテリーは時間の経過とともにどのように劣化するか（バッテリーの寿命とメンテナンス）
電池の化学的性質の比較（リチウム-イオン、鉛-酸、アルカリ）
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