はじめに

電池として知られる電気化学デバイスは、酸化還元過程によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するか、あるいは逆に電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。それは1つまたは複数の電気化学セルで構成され、それぞれに電解質、2つの電極 (アノードとカソード)、および他の部品があります。カソードは正極で還元の位置であり、アノードは負極で酸化が起こる場所です。電極の外部回路を介した電流の通過は電解質によって可能になり、電極間でイオンが移動しやすくなります。バッテリーはプライマリまたはセカンダリに分類できます。プライマリバッテリーは使用後に廃棄され、補充できません。バッテリーセルの基本要素を次の図に示します。ご覧の通りに、セルのアノードおよびカソード端子は有用な電圧を示します。

図1 : セルの構成要素

バッテリーは現代の世界で重要な機能を果たしています。私たちが使用する技術と生活様式は、モビリティとエネルギー貯蔵能力の結果として劇的に変化しました。バッテリーは以下の分野で重要な貢献をしてきました。

モビリティと通信: 携帯電話、ラップトップ、タブレットなどの多種多様な携帯機器は、通信や情報アクセスのためにバッテリーに依存しています。

交通機関: 電気自動車 (EV) の導入により、持続可能な輸送運動の最前線にバッテリーがあります。化石燃料を直接利用せずに車を運転することが可能になり、汚染や温室効果ガスの排出を低減します。

再生可能エネルギー貯蔵: 太陽光や風力などの再生可能エネルギー源の統合は、バッテリーに大きく依存しています。高出力時に生成されたエネルギーを低生産時や需要ピーク時に使用するために貯蔵することで、再生可能エネルギーシステムの信頼性と有効性を高めます。

医療アプリケーション: 補聴器、ペースメーカー、携帯医療機器など、多くの医療機器には電池が不可欠です。患者のケアと治療における柔軟性と独立性を可能にします。

緊急時の準備と対応: 停電や自然災害の際には、バッテリーは重要なエネルギー源になります。それらは無線、懐中電灯および他の生命を救う緊急供給のためのエネルギーを提供します。

民生用電子機器: 電池はリモコンやカメラ、おもちゃのような一般的な商品に電力を供給し、携帯性と利便性を高めます。

古代の電池 : バグダッド電池

1930年代、イラクのバグダッド近くのKhuyut Rabbou'aからそう遠くない場所で、一群の珍しい物が出土しました。現在バグダダッド電池として知られているこれらの物は紀元前200年頃までさかのぼり、最初に知られている電池の例であると考える人もいます。それぞれのバグダッド電池の内部には銅製のシリンダが入っており、高さ13cmの粘土製の瓶でできており、アスファルトで固定されています。この銅製容器の中には酸化鉄の棒が収められています。

構造は単純なガルバニック電池に極めて似ています。レモン汁や酢などの電解質を瓶に添加することができます。瓶に電解液を充填すると、銅と鉄が電極として機能し、電流が生成されると想定されます。

考えられる用途と推測

歴史家や考古学者はバグダッド電池の真の目的について推測し続けており、意見の相違もあります。以下はいくつかの仮説です。

電気メッキ: 一部の学者によれば、これらの旧式電池は金や銀で物を電気でメッキするのに使われた可能性があるということです。金属は、金属イオンを含む溶液に電流を流すことによって、宝石類のような物体に堆積することができます。電気メッキは儀式や宗教的な目的に利用されていた可能性があります。

痛みの緩和: 別の考えによれば、バグダッド電池は医療、特に疼痛管理のための電気療法に用いられました。古代ギリシアでは電気魚が痛みを治療するために使われていましたが、メソポタミア人もこれらの原始的な細胞の助けを借りて同様の結果を達成する手段を発見した可能性があります。

宗教的な儀式: この電池は宗教儀式で使われていた可能性があるとの推測もあります。弱い電流がアイテムにリンクされ、神秘的または宗教的な倍音を持つと見られる感覚や動きを生成することが可能でした。

単純な好奇心または実験: バグダッド電池は、純粋な好奇心と様々な素材の特性を実験して、特に使用を意識せずに開発されたとも考えられます。

近代電池の誕生

アレッサンドロ・ボルタとボルタのパイル (1800年)

近代的な電池は19世紀の変わり目頃に作られました。最初の本物の電池は1800年にイタリアの物理学者アレッサンドロ・ボルタによって作られました。この装置は現在ボルタのパイルと呼ばれています。ルイージ・ガルヴァーニの研究では、2つの異なる金属 (銅や亜鉛など) が結びついて触れたときにカエルの足がけいれんすることが示され、ボルタの発見にヒントを与えました。ガルヴァニによれば、これはカエルに存在する「動物電気」によってもたらされたとしています。ボルタはこれに同意せず、けいれんは2つの金属の間を電流が移動した結果であると説明しました。

ボルタは自分のアイデアを実証するために、一定の電気の流れを生成できる機械を開発しました。彼は亜鉛と銅の層の間に置かれた塩水に浸した布または段ボールから電解質を構築しました。電気は積み重ねの上から下にリンクされたワイヤを介して流れていましたが、これは2つの材料が異なる電気陰性度を持っていたためであり、亜鉛から銅に電子を移動させる必要があり、電流の流れを発生させます。ボルタのパイルは画期的な技術革新であり、最初の信頼できる電流源として機能し、現代の電池の先駆者と見なされています。アレッサンドロ・ボルタは科学に多大な貢献をし、電位の単位であるボルトに彼の名前が与えられました。

ダニエル電池 (1836)

ボルタ電池は革命的な発明でしたが、欠点がありました。最も注目すべきは、長期間の使用による電圧降下であり、主に銅の電極上に水素気泡が蓄積することによって引き起こされました。イギリスの科学者ジョン・フレデリック・ダニエルは1836年に分極としても知られるこの現象を報告しました。

ダニエルは全く新しい電池であるダニエル電池を開発しました。彼の発明では、硫酸銅の溶液を含む銅鍋に素焼きの陶器の容器を浸しました。亜鉛電極と硫酸を陶器に入れました。イオンを通すことができましたが、多孔質土器は2つの溶液がすぐに結合するのを妨げました。

この配置はボルタのパイルよりも安定で一定の電圧を提供し、銅電極への水素気泡の蓄積を首尾よく防ぐことに成功しました。

ダニエル電池は電池技術の重要な発展であり、初期の電信電話網の電源として広く採用されました。これは、既存の技術の制約を満たし、克服するために使用された巧妙なエンジニアリングの最初期の例の1つでした。ボルタとダニエルの共同の努力は、現代の電池開発の基礎を築きました。

20世紀の開発

鉛蓄電池の導入

フランスの物理学者ガストン・プランテは1859年に鉛蓄電池を開発し、20世紀に本格的に認知された重要な発明です。これは産業用に使用された最初の二次電池になりました。鉛蓄電池は、正板に二酸化鉛、負板にスポンジ鉛、電解液に硫酸を用いることで、急速に大量の電流を発生させます。この電池は大きなサージ電流を供給する能力と経済的な製造のために自動車の始動モータのために選択された電池になりました。鉛蓄電池は20世紀の間も進歩を続け、メンテナンスを必要とせず、どんな向きでも使用できる密閉型鉛蓄電池のような改良が行われました。

アルカリ電池の出現

アルカリ電池の導入は1950年代に起こったもう一つの重要なブレークスルーです。アルカリ電池は、カナダ人技術者ルイス・ウリーがエヴァレディ電池の事業に勤めていた時に、亜鉛・炭素電池の代替として開発されました。亜鉛と二酸化マンガンはアルカリ電池の電極として、アルカリ電解質、しばしば水酸化カリウムとともに使用されます。亜鉛炭素電池と比較して、アルカリ電解質はエネルギー密度と貯蔵寿命を向上します。アルカリ電池は寿命が延びたため、すぐに玩具や懐中電灯、ポータブルガジェットなどの家電製品の主要な電池として人気が出ました。

ニッケル・カドミウム電池

より良いエネルギー密度を持つ二次電池の必要性は、携帯用電子機器の需要が増加するにつれて明らかになりました。ヴァルデマール・ユングナーは1899年にニッケル・カドミウム (NiCd) 電池を開発し、20世紀初頭から半ばにかけて改良されました。アルカリ電解液と電極は水酸化ニッケルとカドミウムでできています。民生機器で使用された最初期の二次電池の一つはニッケル・カドミウム電池でした。とはいえ、広く使用されていたにもかかわらず、危険な重金属であるカドミウムは環境問題を引き起こしました。その結果、20世紀後半には、カドミウム電池に似ていますが水素吸蔵合金を採用したニッケル水素電池 (NiMH) が誕生しました。

電池技術の発展において、20世紀は転換期を迎えました。鉛酸電池、アルカリ電池、ニッケル・カドミウム電池の開発は、自動車から携帯機器まで様々な用途を可能にし、現在の電池技術の基礎を築きました。

21世紀とその先

リチウムイオン電池

リチウムイオン電池の普及と進歩により、21世紀への変わり目は電池技術に大きな変化をもたらしました。リチウムイオン電池が1980年代に作られたという事実にもかかわらず、携帯機器、電気自動車、再生可能エネルギー貯蔵システムなどに広く使用されるようになったのは2000年代になってからです。

高いエネルギー密度、低い自己放電率、およびニッケル・カドミウム電池の問題であるメモリ効果の欠如は、以前の技術よりもリチウムイオン電池が持っていたいくつかの利点に過ぎません。ニッケル・カドミウム電池では、もし頻繁に充電される前に部分的にしか放電しなかった場合、以前の放電状態を記憶しているかのように全体的な容量が減少しました。リチウムイオン電池の構成要素としては、リチウムコバルト酸化物カソード、グラファイトアノード、有機溶媒中のリチウム塩があります。他の化学物質もまた、リン酸リチウム (LiFePO4) やニッケルマンガンコバルト酸化物 (LiNiMnCoO2) のような、それぞれに異なる一連の性質をもっています。

リチウムイオン電池の開発に対して2019年のノーベル化学賞がジョン・グッドイナフ、スタンレー・ウィッティンガム、吉野 彰に授与されたことは、リチウムイオン技術の観点から21世紀の決定的な出来事の1つです。

図2 : リチウムイオン電池の構造

現在進行中の研究と将来の技術

エネルギー密度の向上、充電時間の短縮、安全性の向上などを実現する電池の必要性は、21世紀が進むにつれて増大しています。いくつかの活発な研究プロジェクトと最先端技術は、電池産業を完全に変革する可能性を秘めています。

固体電池: 固体電池の作成は最も予想される技術的進歩の1つです。これらの電池は液体電解質ではなく固体電解質を使用しており、より良いエネルギー密度、より速い充電、より良い安全性をもたらす可能性があります。固体電解質は19世紀に最初に発見されましたが、多くの問題がその広範な使用を妨げてきました。2010年代に始まった20世紀後半から21世紀初頭の革新は、固体電池技術への関心を再燃させました。固体電池の実用化は、世界中の企業や研究者にとって最優先事項であり、特に電気自動車を対象としたアプリケーションではそうです。

シリコンアノード: 現在、リチウムイオン電池の黒鉛アノードをシリコンに置き換える研究が行われています。シリコンはグラファイトよりも多くのリチウムイオンを蓄えることができるため、電池のエネルギー密度が上昇する可能性があります。しかし、充放電サイクル中のシリコンの膨張と収縮の問題は解決されつつあります。

他の化学的物質: リチウム硫黄電池、ナトリウムイオン電池、マグネシウムイオン電池などの代替電池化学も研究対象です。これらの代替品は、リチウムイオン技術の欠点のいくつかを回避するか、サプライチェーンが限られているコバルトのような部品への依存を減らすように設計されています。

エネルギー貯蔵システム: 電池技術の発展に加えて、再生可能エネルギーを利用した先進的な蓄電システムの研究が盛んに行われています。エネルギー密度、電力密度、サイクル性能、コストなど、バッテリー技術が異なるため、持続可能なエネルギーへの世界的な移行には、これらのシステムは頻繁に多数のバッテリー技術を組み合わせています。

バッテリー開発のためのAIと機械学習: もう一つの新しい進歩は、機械学習と人工知能を使用して電池の開発をスピードアップすることです。これらの技術はバッテリー設計を最適化し、電池管理システムを強化し、生産手順を強化することができます。センサーや生産ラインからのリアルタイムデータを評価することで、AIはバッテリー製造プロセスの最適化に役立ちます。バッテリーの材料、部品、性能の間のパターンやリンクを見つけるために、AIシステムは膨大な量のデータを評価することができます。運用状況に応じた充放電戦術をリアルタイムで最適化する高度なバッテリー管理システムを、AIを活用して構築できるかもしれません。AIは仮想バッテリーテストとモデリングを支援し、精巧な物理プロトタイプの必要性を排除できます。

バッテリー技術は21世紀には驚異的な進歩を遂げると予想されています。気候変動や再生可能エネルギーへの切り替えによる脅威のために、リスクはかつてないほど高くなっています。世界のエネルギー問題に効果的に対処するためには、バッテリー技術の革新と研究が継続されなければならなりません。