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カスティール・アミス
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2015年02月13日
テーマ： 化学(358)
カテゴリ： 化学
しばしば新聞とかニュースとかで次世代電池ということが議題にあがる。
皆さまが利用している携帯の電池も、長持ちしたら便利なのは当然のことであり、
容量(寿命)の高い新しい電池の開発は不可欠である。
では、この容量って一体どうやって計算しているのだろうか。
計算方法となると、ベーシックな議論なのに解説しているページが少ない。
そこで、本稿では容量とは何か。容量ってどうやって計算するのか。
改めて解説していこうと思う。
1)終止電圧と放電容量について
例えば、電池は放電して電流を流し続けるとだんだん電圧が落ちていき、最後は0Vになる。
0Vにならなくても、ある電圧に達したらパワー不足で電気回路が動作しなくなる電圧というものがある。
実質的に電池切れとなる電圧のことを、終止電圧という。
それを踏まえたうえで、放電容量とは何か。定義を書こう。
放電容量をQとすると、下記の式であらわせる。
Q＝電流I(mA)×持続時間T(h)…(1)
ここで、接続時間Tとは電流Iが終始電圧まで実際に流せた時間である。
放電容量Qは、まさに電池の寿命の指標であり、このQを改善していく材料の開発が不可欠といえる。
2)材料のもつ放電容量について
しばしば、電池には理論的な容量があると言われることがある。
では、なぜ理論的に容量が決まってしまうのか。
これについては、高校化学の知識があれば理解可能なことである。
例えば、リチウムイオン電池の負極カーボンは下記のような反応を行う。
Li(+) + 6C + e - → C6Li …(2)
今カーボンを12g用いる例を考えてみよう。
すると、カーボンの原子量は12 g/molであり、
化学式の係数とモル比は一致するので、この電池の場合、
1/6モルの電子が流れたことになる。ファラデーの法則より、
1molの電子は96485 クーロンであるので、
カーボンが反応すると96485/6クローンの電子が流れることがわかる。
カーボン1g当たりの電気量に換算すると、96485/6/12 = 1340.7 クローン/gだとわかる。
Qt = 1340.7×1000/3600 = 372.4 mAh/g だとわかる。
実際は終始電圧が0Vではないので、これより若干下がるだろうし、
材料の持っている全てのエネルギーを引き出すことはとても難しい。、
理論容量と実際の容量は必ずしも一致しないのである。
ただ、すべての電池の容量は理論容量を超えないのだ。
そして、理論容量は反応さえ分かればすべての電池において高校化学程度の知識で求められる。
このことをしっていてほしい。
皆さまが利用している携帯の電池も、長持ちしたら便利なのは当然のことであり、
容量(寿命)の高い新しい電池の開発は不可欠である。
では、この容量って一体どうやって計算しているのだろうか。
計算方法となると、ベーシックな議論なのに解説しているページが少ない。
そこで、本稿では容量とは何か。容量ってどうやって計算するのか。
改めて解説していこうと思う。
1)終止電圧と放電容量について
例えば、電池は放電して電流を流し続けるとだんだん電圧が落ちていき、最後は0Vになる。
0Vにならなくても、ある電圧に達したらパワー不足で電気回路が動作しなくなる電圧というものがある。
実質的に電池切れとなる電圧のことを、終止電圧という。
それを踏まえたうえで、放電容量とは何か。定義を書こう。
放電容量をQとすると、下記の式であらわせる。
Q＝電流I(mA)×持続時間T(h)…(1)
ここで、接続時間Tとは電流Iが終始電圧まで実際に流せた時間である。
放電容量Qは、まさに電池の寿命の指標であり、このQを改善していく材料の開発が不可欠といえる。
2)材料のもつ放電容量について
しばしば、電池には理論的な容量があると言われることがある。
では、なぜ理論的に容量が決まってしまうのか。
これについては、高校化学の知識があれば理解可能なことである。
例えば、リチウムイオン電池の負極カーボンは下記のような反応を行う。
Li(+) + 6C + e - → C6Li …(2)
今カーボンを12g用いる例を考えてみよう。
すると、カーボンの原子量は12 g/molであり、
化学式の係数とモル比は一致するので、この電池の場合、
1/6モルの電子が流れたことになる。ファラデーの法則より、
1molの電子は96485 クーロンであるので、
カーボンが反応すると96485/6クローンの電子が流れることがわかる。
カーボン1g当たりの電気量に換算すると、96485/6/12 = 1340.7 クローン/gだとわかる。
Qt = 1340.7×1000/3600 = 372.4 mAh/g だとわかる。
実際は終始電圧が0Vではないので、これより若干下がるだろうし、
材料の持っている全てのエネルギーを引き出すことはとても難しい。、
理論容量と実際の容量は必ずしも一致しないのである。
ただ、すべての電池の容量は理論容量を超えないのだ。
そして、理論容量は反応さえ分かればすべての電池において高校化学程度の知識で求められる。
このことをしっていてほしい。
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