乾電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する単純な電気化学セルです。それらは 1866 年にジョージ・ルクランシュによって開発され、ルクランシュ・セルとも呼ばれています。
乾電池や電池は、日常生活で非常に一般的に使用されています。私たちは、時計、時計、おもちゃ、カメラなどに電池を使用しています。
乾電池の種類
- 一次細胞
- 二次セル
一次細胞
- これらのセルでは、化学反応は不可逆です。
- 化学試薬が消費されると、細胞は死んでいると言われます。再度使用することはできません。
- 充電できません。
- 1.5 V の固定出力電圧
- これらのセルはサイズが小さいため、移動や持ち運びが簡単です。
二次細胞
- これらの細胞は、可逆的な化学反応を伴います。
- これらのセルは複数回再利用できます。
- セルが放電されると、逆方向に電気を流すことで再充電できます。
- 出力電圧が固定されていません。負荷に応じて異なります。
- これらの細胞は、初代細胞ほど小さくはありませんが、輸送することもできます.
動作原理と乾電池の種類
-
一次細胞
-
亜鉛炭素セル
一次電池では、化学反応は一度だけ起こります。このセルでは、陽極の機能は亜鉛ケースによって実行されます。グラファイト/カーボン ロッドが上部の真鍮キャップに接触していますが、下部の亜鉛ケースには接触していません。それはカソードとして機能します。
亜鉛ケースの側面は保護されていますが、底部は保護されていません。亜鉛ケースとカーボンロッドの間のスペースには、塩化アンモニウム (NH4Cl)、塩化亜鉛 (ZnCl2)、二酸化マンガン (MnO2)、およびブラックカーボンの湿ったペーストが詰め込まれています。それでは、陽極と陰極でそれぞれ起こる反応を見てみましょう。
アノード: 酸化は陽極で起こります。酸化とは電子を失うことです。亜鉛ケースは陽極として機能します。亜鉛の酸化が起こり、その結果、時間の経過とともに亜鉛ケースが腐食します。
Zn(s) → Zn2+ + 2e–
陰極: 還元はカソードで起こります。電子を獲得するプロセスは還元と呼ばれます。ここで、マンガンは +4 酸化状態から +3 酸化状態に還元されます。この過程で放出されたアンモニアは、Zn+2 イオンによってトラップされ、錯体 [Zn (NH3)] +2 を形成します。この複合体は本質的に可溶性であり、水性の形をしています。
Mn+4O2 + NH4 ++ e– → Mn+3O (OH) + NH3
Zn+2 + NH3 → [Zn (NH3)]+2(aq)
このセルの電位は 1.5V です。
-
水銀セル
水銀セルでは、陽極は亜鉛アマルガムでできており、酸化水銀と炭素のペーストが陰極です。電解液は水酸化カリウムと酸化亜鉛のペーストです。
このセルの全体的な電位は 1.35V です。補聴器、時計などの小型機器に使用されています。充電はできません。
陽極: 酸化反応は陽極で起こります。それは、電子の喪失または酸素の付加です。
Zn (Hg) + 2OH– → ZnO + H2O + 2e–
陰極: HgO + H2O + 2e– → Hg (l) + 2OH–
したがって、全体的な反応は次のようになります:
Zn (Hg) + HgO(s) → ZnO(s) + Hg (l)
2.二次電池
-
鉛蓄電池
二次電池は、多数の充放電サイクルを受けることができる。一度使用すると、逆方向に電気を流すことで再充電できます。鉛蓄電池は、自動車やインバーターで使用される最も一般的なタイプの二次電池です。
このセルでは、陽極は鉛 (Pb) でできています。カソードは、二酸化鉛 (PbO2) を詰めた鉛のグリッドで構成されています。陽極と陰極グリッドの間に電解質として硫酸 H2SO4 の 38% 濃縮溶液があります。
バッテリーの使用中、セル内で次の反応が発生します:
陽極: 酸化反応はアノードで起こり、鉛 (Pb) は H2SO4 溶液からの硫酸イオンと反応するときに酸化されるか、電子を失います。
Pb(s) + SO4 2–(aq) → PbSO4 (s) + 2e–
陰極: +4 状態から +2 状態への鉛イオンの還元は、電解質の存在下で起こります。
Pb+4O2 (s) + SO4 2–(aq) + 4H+ (aq) + 2e– → Pb+2SO4 (s) + 2H2O (l)
全体的な反応は次のとおりです:
Pb(s) + PbO2 (s) + 2H2 SO4 (aq) → 2PbSO4 (s) + 2H2O (l) + エネルギー (電気に変換される)
セルは使用すると放電します。順方向では、ガルバニックと呼ばれます セル .セルが完全に使用されると、つまり完全に放電されると、反対方向に電気が流れます。これにより、細胞内の化学反応が逆転します。この状態を電解セルと呼びます。 このプロセス中に、セルは再充電されます。
-
燃料電池
水素やメタンなどの燃焼性の高い燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するガルバニ電池は燃料電池と呼ばれ、非常に効率的です。
これらのセルでは、電極に反応物が連続的に供給され、生成物が電解質コンパートメントから連続的に除去されます。このような燃料電池は、宇宙船などに電力を供給するために使用されます。
このセルでは、一方の端から水素ガスを、もう一方の端から酸素ガスを、多孔性のグラファイト棒を通して水酸化ナトリウム (NaOH) の濃縮電解質溶液に押し込みます。
アノードとカソードでの反応は次のとおりです。
陽極: 水素の酸化は陽極で起こります。つまり、ここで酸素の付加が起こります。
2H2 (g) + 4OH– (水溶液) → 4H2O (l) + 4e–
陰極: 酸素の還元はカソードで起こります。つまり、ここで水素の添加が起こります。
O2 (g) + 2H2O (l) + 4e– → 4OH– (aq)
全体的な反応は–
2H2 (g) + O2 (g) → 2 H2O (l) + エネルギー (電気に変換される)
乾電池の応用
- 一次電池は、はるかに小さく持ち運びが容易であるため、電子機器で使用されます。
- 鉛蓄電池は自動車やインバーターで使用されています
- 燃料電池は宇宙プログラムで使用されています
結論
乾電池は、蓄えられた化学エネルギーを電気エネルギーに変換します。それらは、カソードとアノードで還元酸化（レドックス）反応を受けます。乾電池には充電できるものと、1回しか使えないものがあります。二次燃料電池は無公害で、非常に効率的に発電します。
