第1章

電池の基礎

　一口に「電池」といっても、実にさまざまな種類が

あります。この本で主に扱うのは、「化学電池」とよ

ばれるもので、化学反応のエネルギーを電気のエネル

ギーに変換するものです。ふつう電池といえばこの化

学電池を指します。ここでは、化学電池の中でおこっ

ている化学反応、各電池の構造や特徴について理解す

るために必要な基本的事項について説明します。

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1-1●電池の種類

　まずは、電池にはどのようなものがあるかをざっと見てみましょう。

電池の分類を図 1-1に示します。

　電池は、まず化学電池と物理電池とに分類されます。化学電池とは、

簡単にいえば化学反応するときのエネルギーを電気のエネルギーに変換

するものです。ふつう電池といえばこの電池のことを意味します。本書

でも、化学電池を単に電池とよぶことにします。

　一方、物理電池というのは、外部から与えられる光や熱などの物理エ

ネルギーを電気エネルギーに変換するものを指します。太陽電池などが

その代表です。

　さらに化学電池は、一次電池、二次電池そして燃料電池に大別されま

す。一次電池とは、乾電池のように使い切りのもので、充電はできませ

ん。二次電池は「充電池」あるいは「蓄電池」ともよばれ、充電するこ

とで繰り返し使うことのできる電池です。一次電池も二次電池も、化学

反応する物質（活物質といいます）が電池内部に保持されています。こ

れに対して燃料電池は、外部から活物質を供給しながら発電する電池で

す。

　これらの電池は使用する材料などにより、さらに細かく分類されま

電池

化学電池 二次電池

燃料電池

一次電池

物理電池

化学変化のエネルギーを電気のエネルギーに変換する電池

光や熱などの物理エネルギーを電気のエネルギーに変換する電池（太陽電池など）

使い切りの電池

充電して繰り返し使える電池

活物質を供給しながら発電する電池

図1-1　電池の分類

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第1章●電池の基礎

す。電池の種類は、使用する材料の組み合わせにより約 40 種類、形や

大きさの違うものまで区別すると約4,000種類もあるといわれています。

図 1-2 ～ 4は各種電池の写真です。

一次電池　●　マンガン乾電池　●　アルカリマンガン電池　●　酸化銀電池　●　空気亜鉛電池　●　リチウム一次電池、ほか

マンガン乾電池 アルカリマンガン乾電池

酸化銀電池

リチウム一次電池

空気亜鉛電池

図1-2　一次電池

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図1-4　燃料電池ほか

燃料電池　●　アルカリ形燃料電池　●　固体高分子形燃料電池　●　リン酸形燃料電池　●　溶融炭酸塩形燃料電池　●　固体酸化物形燃料電池　●　直接メタノール形燃料電池、ほか 燃料電池

電気化学キャパシタ 太陽電池

二次電池　●　鉛蓄電池　●　ニッケルカドミウム蓄電池　●　ニッケル水素蓄電池　●　リチウムイオン蓄電池、ほか

鉛蓄電池 ニッケルカドミウム蓄電池

ニッケル水素蓄電池 リチウムイオン蓄電池

図1-3　二次電池

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第1章●電池の基礎

1-2●電池の発電原理

　まず、なぜ電池が電気エネルギーを発生させられるのかを、「ダニエ

ル電池」を例にして考えてみましょう。ダニエル電池は実用的な電池で

はありませんが、高等学校の化学の教科書などで、説明のためによく出

てくるものです。

（ 1）　電極電位　ZnSO4（硫酸亜鉛）の水溶液に Zn（亜鉛）の板を浸すと、わずかの Zn

が電子（2e－）を残して Zn2＋（亜鉛イオン）になり、平衡状態に落ち着

きます（図 1-5）。そのときの化学反応式は、次のように表されます。

　　Zn2＋＋2e－⇄ Zn （1-1）　

（1-1）式で矢印が⇄となっているのは、平衡状態であることを意味し

ています。その結果、Zn の板がマイナスに、ZnSO4 水溶液がプラスに

帯電し、両者の間に電位差が生じます。この電位差のことを「電極電

位」といいます。

　一方、CuSO4（硫酸銅）の水溶液にCu（銅）の板を入れると、CuSO4

図1-5　亜鉛板を硫酸亜鉛水溶液に浸したときの反応

Zn2＋

Zn2＋ SO42－

Zn

亜鉛板

硫酸亜鉛水溶液

e－ e－

亜鉛の一部が電子を残し、亜鉛イオンとなって溶出

⇩亜鉛板がマイナスに、硫酸亜鉛水溶液がプラスに帯電

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水溶液中のわずかの Cu2＋（銅イオン）が、Cu 板から電子（2e－）を受

け取り、Cu 板上に Cu が析出して平衡状態となります（図 1-6）。その

ときの化学反応式は、

　　Cu2＋＋2e－⇄ Cu （1-2）　

となります。この場合も、Cu板と CuSO4 水溶液との間に電位差が生じ

ます。ただし、先ほどとは逆で、Cu 板の方がプラスの電気を、CuSO4水溶液の方がマイナスの電気を帯びることになります。

　電池に関連した主な電極の電極電位の値を表 1-1に示しました。表

1-1 では、例えば（1-1）式の反応を Zn2＋/Z と表わしています。電極電

位は、溶媒の種類や反応する物質の濃度、温度などによって変化しま

す。表 1-1 の値は、反応におけるすべての物質の活量（注 1-1）が 1という

「標準状態」での値です。また、電解質溶液として水溶液を用い、温度

が 25℃の場合です。表 1-1 で、H2（水素）とH＋（水素イオン）の反応

に対する電極電位が 0.000 V となっています。これは、この電位を基準

〔注1-1〕活量とは物質の濃度に関連した値で、たいていの場合、固体、液

体（溶媒）および1気圧の気体の活量は1です。溶質については、モル濃度を

活量とします

図1-6　銅板を硫酸銅水溶液に浸したときの反応

Cu2＋

Cu2＋ SO42－

Cu

硫酸銅水溶液

e－ e－

銅イオンの一部が電子を受け取り、銅となって析出

⇩銅板がプラスに、硫酸銅水溶液がマイナスに帯電

銅板