一次電池と二次電池
使い切りの一次電池と充電可能な二次電池。それぞれの代表例と反応を理解しましょう。
基本知識
一次電池(使い切り):
① マンガン乾電池: Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2·C, 1.5 V
② アルカリマンガン電池: Zn|KOH|MnO2, 1.5 V, 高容量
③ リチウム電池: Li|有機電解液|MnO2, 3 V, 長寿命
二次電池(充電可能):
① 鉛蓄電池: Pb|H2SO4 aq|PbO2, 2.0 V × 6セル=12 V。自動車用
② ニッケル水素電池: 1.2 V, ハイブリッド車
③ リチウムイオン電池: 3.7 V前後, スマホ・EV — 2019年ノーベル化学賞(吉野彰)
📘 重要電池
マンガン乾電池（Zn/MnO2, 1.5 V, 安価）
鉛蓄電池（Pb/PbO2, 希H2SO4, 充電で水分解）
ニッケル水素電池（MH/NiOOH, 1.2 V）
リチウムイオン電池（C(Li)/LiCoO2, 3.7 V）
エネルギー密度（Wh/kg, Wh/L）
サイクル寿命（充放電可能な回数）
マンガン乾電池（Zn/MnO2, 1.5 V, 安価）
鉛蓄電池（Pb/PbO2, 希H2SO4, 充電で水分解）
ニッケル水素電池（MH/NiOOH, 1.2 V）
リチウムイオン電池（C(Li)/LiCoO2, 3.7 V）
エネルギー密度（Wh/kg, Wh/L）
サイクル寿命（充放電可能な回数）
深掘り (原理・応用)
鉛蓄電池の放電反応:負極: Pb+SO42-→PbSO4+2e-正極: PbO2+4H++SO42-+2e-→PbSO4+2H2O
全反応: Pb+PbO2+2H2SO4 → 2PbSO4+2H2O。放電でH2SO4濃度が減るため、比重を測ることで充電状態が判定できます。
リチウムイオン電池は炭素(C6)層間とLiCoO2結晶の間をLi+がインターカレーション(挿入・脱離)する画期的な機構で、軽量・高エネルギー密度を実現しました。スマホ・EVの普及を支える基幹技術です。
💡 ポイント
- 一次=使い切り、二次=充電可
- 鉛蓄電池: 自動車用12 V
- 放電でPbSO4が両極に生成、H2SO4濃度↓
- リチウムイオン: 軽量・高エネルギー密度
- 吉野彰=2019ノーベル化学賞
- 充電は放電の逆反応
- サイクル寿命=長期性能
注意点 (混同しやすい・頻出ミス)
① 鉛蓄電池放電時、両極ともPbSO4が生成する。② 充電時の電気分解で水が消費されるため定期的に補水が必要。③ リチウム電池(一次)とリチウムイオン電池(二次)は別物。④ ニッカド電池はCdの毒性で減少。
練習
- 鉛蓄電池が放電するときの全反応式を書け。
- 鉛蓄電池の電解液の比重が下がる理由を説明せよ。
- リチウムイオン電池の発明で2019年ノーベル化学賞を受賞した日本人科学者の名前を答えよ。