今回は、「電池」についての説明です。
１．電池とは？
「電源」は「電気の源」、「電圧」は「電気的な圧力」、「電流」は「電子の流れ」…という具合に、「電○」という用語は単純に「電気の○○」を指している場合が多いです。
その為か、「電池」というと「電気の池→電気を蓄えているもの・電気をためているもの」のようなイメージを持っている方が結構います。
ですが、これは間違いです。
電池とは、熱エネルギー・光エネルギー・化学反応により発生するエネルギーなどを電気エネルギーに変換する装置のことです。
要するに、電気をためているのではなく、何かしらの方法で電気を生成・発生させているのが電池なのです。
その”何かしらの方法”によっては電池の中に含まれている電気を生成するために必要なモノが枯渇してしまうので、使い切りの電池(一次電池)や充電することで何度も使用可能になる電池(二次電池)という違いが生まれます。
ちなみに、電池は英語で[battery]と書きます。
なので、バッテリーも電池の一種なのです。
※ 後述の二次電池=バッテリーです。
２．電池の種類(大別)
単に電池と言っても種類は結構あります。
マンガン電池・アルカリ電池・蓄電池…バッテリーや太陽光発電のような○○電池という名前ではないものも電池の一種だったりします。
サイズまで細分化していくと数千種類にも上るので、相当な数ですよね。
ということで、まずは電池の発電原理から二種類に大別できるという点から説明していきます。
電池は、化学電池と物理電池の二種類に分けることが可能です。
化学反応により発生したエネルギーを電気エネルギーに変換させる電池。
乾電池やバッテリーがこれに該当する。
中学校くらいの化学の実験で大体の人が見たことがあるのではないかと思われる方式の電池です。
正電極(金属板)、負電極(金属板)、電解液からなる電池で、電極として使用する金属板や電解液の種類によって性質が変化します。
同じ乾電池でも種類によって寿命が全く異なったりする要因はこれです。
自然界に存在する物理現象(光や熱などのエネルギー)を電気エネルギーに変換させる電池。
太陽光発電、地熱発電、原子力発電…この辺りの発電方式による電池が物理電池というわけです。
３．化学電池の種類
電池は化学電池と物理電池に大別されると述べました。
次は、この二種類を特性によって更に分けていきます。
物理電池は物理電池だけなので、ここでは化学電池を細分化していきます。
化学電池は、一次電池と二次電池と燃料電池の三種類に分類できます。
充電は不可能で放電のみ可能な使い捨ての電池のこと。
化学電池は化学反応を利用して発電すると述べましたが、化学反応に応じて電極板が溶けていったり、電解液が枯渇していったりします。
つまり、発電に必要な材料の何れかが無くなるまで化学反応をし切ってしまうと、もうそれ以上電気を作り出すことはできなくなります。
そんな電池が一次電池です。
非可逆的な反応というヤツです。
何度も充電・放電が可能な電池のこと。
蓄電池・バッテリーとも呼ぶ。
電気を取り出す(放電)時とは逆方向に外部から電気を供給(充電)することで、正極板と負極板の状態を放電前の状態に戻し、繰り返し使用できるようになっている。
二次電池は、ノートPCやスマートフォンの電源として使用されていたり、車にも積まれています。
ノートPCやスマートフォンの場合、コンセントに繋いで電気を蓄え、蓄えた分を使い切る(放電し切る)までは動作を続けます。
車の場合は走行中にしれっと発電を行ってバッテリーに充電しています。
車に長い間乗らずにいるとバッテリーが上がると言いますが、アレはバッテリーに充電をしなかったから放電し切ってしまったことを指しているのです。
燃料となる物質を供給して電気を発生させる電池のこと。
具体的には、水の電気分解の原理を利用した水素と酸素の化学反応による電池です。
化学エネルギーから直接電気エネルギーに変換するのが特徴。
化学反応時に発生する熱もエネルギーとして使用可能なので、エネルギー効率が高い。
ただし、コスト面が課題。
負極板の触媒と水素ガスが反応すると水素イオンと2個の電子に分かれ、ここで発生した電子が外部回路を通過して正極板に流れ込みます。
電子の流れ=電流なので、これが電気エネルギーとして作用しています。
正極板には空気(IN酸素)が供給されていて、外部回路を通過してきた電子を受け取って酸素イオンに変化します。
こうして発生した水素イオンと酸素イオンが反応して水が生成されるという仕組みです。
何度も再利用できる二次電池があるなら一次電池は不要と感じるかもしれませんが、一次電池には低コストで入手性が高いという明確なメリットがありますので、全部二次電池に置き替えるというわけにもいきません。
元々省電力だから、放電し切ったら寿命扱いで破棄した方が丁度良い場合もありますしね。
極端に考えずにどちらも臨機応変に使っていけば良いのです。
４．その他の電池
電池の大きな括りはここまで説明したような分類になります。
後は、使用する電極や電解液の違いなので、いくつか例を挙げていきます。
特徴・豆知識・使用用途なんかを簡単に記述していこうと思います。
必要でなければ「電解液に○○を使用して～」といった無駄な説明は省きます。
電解液がこぼれないように工夫された電解液が乾いている電池。
電解液を不織布などに染み込ませて固体化している。
一般的に出回っているのは、マンガン乾電池とアルカリ乾電池の2種類が大半です。
名称通りマンガンが使用されている電池。
身の回りにある乾電池は大体マンガン電池かアルカリ電池のことを指しています。
容量はアルカリ電池の方が上なので大電流を流す用途には向いていませんが、休み休み使用すると電圧が少し回復するという特徴を持ちます。
なので、テレビのリモコンのような微弱な電流で動作するたまにしか使用しないような機器では、安価なマンガン電池を使用した方がコスパが良かったりします。
他の使用用途としては、電卓や懐中電灯(豆電球)などが挙げられます。
電解液がアルカリ性だからアルカリ電池と呼びます。
身の回りにある乾電池は大体マンガン電池かアルカリ電池のことを指しています。
容量はアルカリ電池の方が上なので、大電流を流す用途にはアルカリ電池を使用した方が良いです。
マンガン電池とアルカリ電池は実は使用している電極が同じで、違いは電解液だけだったりします。
アルカリ電池にもマンガンが使われているんですよ。
なので、厳密には違う種類というよりマンガン電池の進化系がアルカリ電池です。
使用用途は、ラジカセや懐中電灯(LED)などが挙げられます。
丸くて平べったい円筒状の銀色の電池のこと。
ボタン型電池とコイン型電池は形状は同じですが、使用している電極や電解液に違いがあります。
アルカリボタン電池、リチウムコイン電池という名前で覚えておけば大体は理解できるかと思います。
ちなみに、電圧も異なり、一般的にはボタン電池が1.4～1.55V、コイン電池が1.55～3.0Vになっています。
他にも、リチウムイオン電池・ニッケル水素電池・ニッケルカドミウム電池(ニカド電池)など様々な種類があります。
二次電池はリサイクルマークが付いているので、見分ける際はそれを目印にしましょう。
５．乾電池でやりがちなNGな使い方
最も身近にある電池は乾電池かと思いますが、乾電池の取り扱いで注意すべき点がいくつかあります。
◎パッケージを開封した電池をそのまま放置する。
正極→金属などの電気を通す物質→負極と繋がってしまうと普通に電流が流れてしまうので、パッケージを開封した電池をそのまま放置しておくのは実は危険です。
正極と負極を絶縁した状態で保管しましょう。
必要分だけパッケージを開封するようにすれば問題ないです。
◎古い電池と新しい電池を併用する。
製品によっては電池を複数使用する場合がありますよね？
そんな時、1個余っていた電池と新しく購入した電池を一緒に使うことがありませんか？
実はこれ、あまり良くないです。
古い電池と新しい電池を同時に使用すると、古い電池が頑張れない分を新しい電池が補おうとするので、新しい電池に負担が行きます。
そうすると、液漏れ(電解液が漏れる現象)などの不具合に発展することもあります。
電池を交換する場合は、全部まとめて交換しましょう。
◎長く使う予定がないのに電池を取り付けたままにする。
電池にも寿命があります。
経年劣化した電池は液漏れする危険性があります。
では、機器に電池を取り付けたまま放置して、液漏れしたらどうなるでしょうか？
答えは悲劇です(^^)
◎乾電池を充電する。
コンセントに繋いで乾電池を充電するための充電器が売っていますよね？
アレは正規品ではありません。
乾電池のサイズ(単一、単三など)も規定しているJIS規格という決まり事があるのですが、この決まり事で一次電池は”他の電源によって充電できるように設計してはいけない”電池だと記述されています。
つまり、一次電池として作られた乾電池は充電できる構造ではないのです。
では、一般的に普及しているマンガン乾電池やアルカリ乾電池はどうなのかというと、普通に一次電池です。
問題なく充電できることもあるでしょうけど、ガスが発生して破裂するリスクを負ってまで充電する価値があるのか考えてみてください。
ちなみに、Panasonicのeneloopのような繰り返し使用可能な乾電池も存在しますが、このような製品はしっかり専用の充電器が存在します。
違法な充電器や変換器って結構普通に売っているので、売っているから使っても大丈夫と考えずに一回調べて見ることをおすすめします。
◎電池を冷蔵庫で保管する。
電池は暖かい環境の方が活発に反応するので、冷暗所で保存した方が良いです。
その為か、冷蔵庫で保管するように推奨している記事がたまにあるのですが、冷蔵庫から出したら十中八九結露するので普通に危険です。
◎マンガン電池とアルカリ電池を併用する。
流石にこれをやっている人はいないと思いますが、異なる種類の電池を併用するのは止めましょう。
特性や寿命がバラバラなので、液漏れ・発熱・破裂などの危険性が高まります。
古い電池と新しい電池の説明同様、どれか1つの電池に負担が行くが故の現象です。
無意識のうちにやってしまっていることもあるかもしれないので、これを機に意識してみましょう。
６．乾電池の寿命について
先程しれっと述べましたが、乾電池には寿命があります。
食材の賞味期限・消費期限のように、乾電池には使用推奨期限というものが設定してあります。
モノによっては電池本体には記載されておらず、パッケージに記載されている場合もあるので注意です。
使用を推奨する期限なので、この期限を過ぎた電池は例え未使用のものであっても使用しない方が良いです。
消費期限と同じ感じですね。
消費期限「食おうと思えば食えるけど、腹壊しても知らないよ？」
使用推奨期限「使おうと思えば使えるけど、壊れても知らないよ？」
リスクに対してリターンがしょぼいので、普通に新しいの買ってきた方がいいですよ？
なぜ使用推奨期限があるのかと言うと、どうしても少しずつ自然に放電してしまうからです。
まあ、大体のモノは経年劣化するものなのです。
以上、「電池」についての説明でした。
