基本理念

電気化学反応

ある材料から別の材料への電子の移動を含む電気化学的プロセスは、バッテリー動作のための基礎です。最も基本的な形態では、バッテリーは放電中に化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、それを電力機器に利用することができます。電気は充電中に化学エネルギーに変換されます。電解質に浸されたカソードとアノード電極は、電池の動作に不可欠なこれらの電気化学プロセスの場所です。

アノードでの酸化プロセスによって電子の放出につながります。カソードでは、電子が受けとられる場所で還元プロセスが同時に起こります。アノードとカソード間の電子の通過を電気エネルギーに変換します。

バッテリーの構成要素 : 電極、電解液、セパレータ

電極: アノードとカソードは、バッテリー内の2つの電極です。酸化過程は負極とみなされるアノードで起こります。還元過程はカソードで行われ、これは対照的に正極とみなされます。

電解質: カソードとアノードの間で、電荷は電解質を通過することができます。代表的な電池の電解質はイオンを含む液体溶液ですが、固体電池では固体物質です。内部短絡を避けるために、電解液は電気的に絶縁されたままイオンを伝導できる必要があります。

セパレータ: セパレータは、カソードとアノードが互いに直接接触するのを防ぐことによって短絡を防ぐ上で重要な役割を果たします。それはしばしば電解質に浸された多孔質物質からなり、それを通過するイオンの通過を可能にしなければなりません。

起電力とセル電位

起電力 (EMF) を理解することは、バッテリーがどのように機能するかを理解するために不可欠です。起電力は電流が流れていないときにバッテリーの2つの電極間に存在する電位差のことを言います。言い換えれば、バッテリーが供給できる最高電圧です。EMFは、様々な材料や電解質が様々な電位をもたらすので、バッテリーで行われる電気化学プロセスと密接に関連しています。

セル電位はEMFに似ていますが、温度や電解質中のイオン濃度などの実際のバッテリーパラメータを考慮に入れています。バッテリーが充電または放電されているときにバッテリーの端子間で観察される電圧です。

様々な元素がバッテリーの性能に与える影響を理解するにはネルンスト方程式が必要です。ネルンスト方程式はセル電位を反応物や生成物の濃度や温度に結び付けるために頻繁に使用されます。

バッテリーの放電と充電プロセス

放電中の電気化学反応

電気化学的酸化還元 (redox) プロセスは、バッテリーの放電中に起こり、電子がアノードから外部回路を通ってカソードに移動します。バッテリーの化学エネルギーは、このプロセスによって使用可能な電気エネルギーに変換され、デバイスの動力源として利用されます。

アノードでは酸化が起こり、これは活性物質が電子を放出する一方で電子も解放されることを意味します。この結果、正イオンはアノードから電解液に移動します。一方、カソードでは活性物質が電子を吸収する還元過程が起こります。カソードは、外部回路を通過した後にアノードで放出された電子を受け入れます。電解液の正イオンは同時にカソードに向かって移動し、電荷の中性を保証します。電子機器に電力を供給するために利用される電流は、外部回路を横切る電子の動きによって生成されます。

充電中の電気化学反応

外部電圧源は、バッテリーの充電中に放電プロセスとは反対方向に電流を印加するために使用されます。これにより、放電中に起こった電気化学的プロセスが逆転し、バッテリーの化学エネルギーの蓄えを再充電します。

アノードの活性物質は還元プロセスを経て、外部回路から電子を吸収します。一方、カソードで酸化プロセスが起こり、活性物質が外部回路に電子を放出します。その結果、正イオンは電解質を通ってカソードからアノードに移動しバッテリー内部の電荷のバランスをとります。

充電中に電圧と電流を制御することは、過充電を避けるために不可欠です。過充電は、ガスの発生、熱の発生、バッテリーの損傷の可能性があります。

全ての電気化学過程が完全に可逆的でないことを理解することが重要です。特に高い充放電率や非常に高温では、いくつかの有害反応が起こる可能性があります。これらの悪影響は、しばしば活性物質の損失と時間の経過とともに徐々にバッテリーの劣化につながります。

充放電動作中の電子フローを次の図に示します。

図3 : 充電と放電のプロセス

エネルギー貯蔵と放出

エネルギー密度の概念

バッテリーの性能を決定する重要な要素は、そのエネルギー密度です。ある質量または体積のバッテリーにどれだけのエネルギーを保持できるかを示す測定値です。重力エネルギー密度 (単位はワット時/キログラム、Wh/kg) と体積エネルギー密度 (単位はワット時/リットル、Wh/L) はエネルギー密度を一般的に示す2つの主要な方法です。

重力エネルギー密度はバッテリーの質量を考慮に入れており、携帯電子機器や電気自動車など重量が重要なアプリケーションにおいて重要です。バッテリーは、重量エネルギー密度が大きい場合、これらのアプリケーションにとってより軽量で効果的であり、同じ重量で、より多くのエネルギーを蓄えることができます。

一方、体積エネルギー密度はバッテリーが占める面積を考慮に入れます。これは、スマートフォンやその他の小型機器に見られるような容量の限られたアプリケーションで考慮する必要がある重要な要素です。バッテリーは体積エネルギー密度が大きい場合によりコンパクトであり、つまり与えられた体積により多くのエネルギーを蓄えることができます。

バッテリーでエネルギーを蓄えて解放する方法

電気化学的プロセスは、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するためにバッテリーで使用されます。外部電圧源は、充電時に電子をカソードからバッテリーのアノードに移動させる電流を生成します。前述したように、これは放電プロセスを反転させ、カソードで酸化が起こり、アノードで還元が起こります。エネルギーは、これらのプロセスの間に生成される化学結合を介してバッテリー内に貯蔵されます。

化学エネルギーは、放出された後、電気エネルギーに変換されます。アノードの酸化は電子を放出し、それは外部回路を介してカソードの還元に向かいます。この電子の流れで構成される電流は、様々なデバイスに電力を供給するために使用することができます。

電極や電解液に使用される材料、バッテリーの設計、充放電速度、温度や充電状態などの動作環境は、すべてバッテリーのエネルギー貯蔵と放出の効率と容量に影響を与えます。