バッテリーとは何か？専門家による分かりやすい説明

導入

家庭やオフィスには多くの電子機器があり、それらは適切な電源がなければ動作しません。その電源の一つがバッテリーです。電子機器によって必要な電力やバッテリーの容量が異なるため、様々な種類のバッテリーを目にすることになるでしょう。

それで、 バッテリーとは何ですか？

電池は、酸化還元反応またはレドックス反応と呼ばれる電気化学反応によって電気エネルギーに変換できる活性化学物質を含むデバイスです。電気化学反応の間、電子は電気回路を介して材料の一方の側からもう一方の側へと移動します。

バッテリーの主要コンポーネント

バッテリーの種類によって、バッテリーを構成する部品は異なります。ただし、標準的な部品もいくつかありますので、バッテリーに必ず含まれていると考えて構いません。バッテリーの主要な部品は以下のとおりです。

陰極

これはバッテリーの正極であり、酸化電極とも呼ばれます。バッテリー内の電気化学反応において電子を受け取る役割を担っています。還元反応はここで起こるため、バッテリーの技術や化学組成を決定します。これにはリチウムイオン、ニッケル水素、アルカリ電池が含まれます。

アノード

これはバッテリーの負極です。ここで酸化反応が起こり、放電プロセス中に電子が放出されます。陽極は金属などの導電性材料で作られています。

電解質

電解質は、電池の陽極と陰極の間でイオンを移動させる媒体です。電解質には様々な状態があります。イオン伝導には、酸やアルカリなどの液体電解質が使用されますが、単3電池、単4電池など、他の種類の電池では固体電解質が使用されることもあります。

セパレーター

これは多孔質材料で、陽極と陰極の混ざり合いを防ぎます。多孔質であるため、材料同士が接触することなく、イオンのみが一方から他方へ移動します。陽極と陰極が混ざると、電池が爆発したり発火したりする可能性があります。

ターミナル

バッテリーとその部品について言えば、端子があります。これはバッテリーを回路に接続する金属接点です。ほとんどのバッテリーには、バッテリーの両側に2つの端子しかありません。すべてはバッテリーの設計にかかっています。

バッテリーの仕組み

バッテリーを外部回路に接続すると、回路に電気エネルギーを供給するためにいくつかの化学反応が起こります。

この化学反応は酸化還元と呼ばれ、生成された電子が陽極から流れ出ます。そして、陰極が電子を受け取って還元します。電池の電解液中の陰イオンと陽イオンの移動によって回路が完成します。

市場に出回っている電池の種類

バッテリーは化学的性質に基づいて分類されます。主な分類は一次電池、二次電池、予備電池、燃料電池です。

一次電池

一次電池またはバッテリーは、電気回路に電力を供給しなくなった後は再充電できません。使用後は廃棄し、新しいバッテリーと交換する必要があります。

固体電解質を使用しているため、乾電池と呼ばれることが多いです。メーカーは通常、セパレーターとして機能する吸収材に電解質を封入します。

二次電池

これは一次電池とは逆で、容量が減少しても再充電が可能です。再充電すると、放電前の状態に戻ります。これは、放電時とは逆方向に電流を流すことで行われます。

二次電池にはさらに2つのサブカテゴリがあります。1つ目は、必要に応じて電力を供給するように設計された電池です。これらの電池は常に主電源に接続されており、緊急時に作動します。

もう 1 つのサブカテゴリは、主電源として使用し、容量が特定のしきい値を下回ったときに再充電できるバッテリーです。

予備セル/バッテリー

この場合、電池の電解質は一次電池や二次電池とは分離されています。電解質は、イオン伝導を可能にする特定の融点に達するまで不活性状態のままです。この融点に達すると電池が活性化し、回路に電気エネルギーを供給できるようになります。

予備セルは、熱活性化電池、ガス活性化電池、電解活性化電池、水活性化電池に使用されています。また、ミサイルやその他の兵器システムなどの高感度起爆装置にも使用されています。

燃料電池

これらのバッテリーは、すべての部品が供給された場合にのみ発電するように設計されています。部品が既に含まれた上記の他のバッテリーとは異なり、このバッテリーでは、バッテリーを活性化させるために電極に活物質を供給し続ける必要があります。供給プロセスが停止すると、電気エネルギーの生成も停止します。

燃料電池の優れた用途の一つとして、宇宙船に用いられる極低温燃料が挙げられます。用途は限られていますが、ここ数年で再び注目を集めています。

電池の用途

多くのデバイスは、電源を維持するためにバッテリーを使用しています。つまり、バッテリーを使用できる用途は非常に多くあります。以下で、それらを詳しく見ていきましょう。

当然のことながら、私たちは毎日、家庭やオフィスで電池を使用しています。携帯電話、リモコン、ゲーム機、ノートパソコンなど、あらゆる機器の電源として電池が使われています。動作に電池が必要な機器であれば、必ず電池は存在します。

これらの電池は健康機器にも使用できます。例えば、補聴器、インスリンポンプ、弁補助装置など、動作に電池を必要とする機器には電池が必要です。

それでも、医療分野では、電池は患者のバイタルサインを示す心電図モニターに使用されています。探究を続けていくと、医療分野における電池の用途がさらに広がることが期待できます。

物流・建設業界でも、大型バッテリーを含むバッテリーが使用されています。例えば、フォークリフトは狭い空間で使用されるため、ガソリンを使用すると一酸化炭素ガスが発生する可能性があるため、大型バッテリーが使用されています。

バッテリーは消防や緊急対応の現場でより多く活用されています。緊急対応チームが緊急事態に対処するために必要な様々な機器に電力を供給するために、大型バッテリーが使用されています。

バッテリーが自動車にどのように使用されているかを忘れてはなりません。バッテリーは、車両の始動やアクセサリーの作動に不可欠です。しかし、バッテリーだけで完全に駆動する電気自動車も存在します。

バッテリーの寿命とメンテナンス

バッテリーの寿命は、バッテリーの化学組成や接続される負荷によって異なります。メーカーは、推奨される使用方法に基づいて、バッテリーの推定寿命を示すことがよくあります。ほとんどのバッテリーの平均寿命は3～5年です。

バッテリーの寿命を延ばすためにできることがいくつかあります。そこで、以下に、覚えておくべきメンテナンスのヒントをいくつかご紹介します。

• バッテリー端子を定期的に清掃することで、腐食を防ぐことができます。これにより、バッテリーを使用するたびに適切な電気接続が確保されます。
• メーカーの推奨する放電と充電に従ってください。これにより、バッテリーの容量が長年にわたって一定に保たれます。
• バッテリーの性能を左右する鍵は温度管理です。バッテリーは涼しく乾燥した場所に保管し、極端な温度を避けてください。
• バッテリーの交換時期を判断するには、定期的な点検が不可欠です。バッテリーが膨らんだり、液漏れしたりしている場合は、交換時期かもしれません。
• バッテリーの酸を補充する必要がある場合は、必ず時間通りに行ってください。バッテリーの性能に影響を与える可能性のある細かい点に常に対処できるよう、メンテナンススケジュールを立てることをお勧めします。

バッテリーの輸送方法

特定の用途では、バッテリーの輸送が必要になる場合があります。そのため、正しく輸送する必要があります。

最も推奨される安全対策は、端子を保護することです。長距離輸送を前提としているため、ショートは避けたいものです。端子カバーや絶縁テープなどで端子を覆ってください。

それでも、バッテリーが潰れないように、丈夫な外装材の使用を検討してください。必要に応じて、取り扱い中にバッテリーが頻繁に動かないように、十分な量の充填材を入れるのも良いでしょう。

明確なラベル表示も推奨されます。これにより、電池を扱う人は特別な注意が必要であることを認識しやすくなります。場合によっては、電池を慎重に取り扱うよう促すために、危険性や壊れやすさに関する警告表示が必要になることもあります。

バッテリーは復元できますか?

充電式バッテリーは、充電するだけで使い続けることができます。しかし、必ずしもそれができるとは限りません。バッテリーが劣化し、以前のような容量を維持できなくなる場合もあります。バッテリーが古くなったり、内部に損傷が生じている可能性があります。

バッテリーがサルフェーションを起こした場合、パルス充電技術で回復させることができます。サルフェーションは、バッテリーの極板に硫酸塩結晶が形成されることで発生し、充電が不可能になります。

代替案としては、バッテリー再生センターに持ち込むことです。バッテリーがまだ良好な状態であれば、専門家にリサイクルを依頼し、使い続けられるようにしましょう。

結論

バッテリーは現代の生活において、様々な用途で活躍しています。お気に入りのデバイスに電源を供給して音楽を聴いたり、車のエンジンをかけたりすることで、楽しい時間を過ごすことができるでしょう。その用途は実に多岐にわたります。すべては、お客様のバッテリーのニーズ次第です。デバイスメーカーは、デバイスに使用できるバッテリーの種類を推奨しています。最高のパフォーマンスを得るには、適切なバッテリーを使用するようにしてください。バッテリーを長持ちさせ、最高の状態でお使いいただくためには、適切なメンテナンスを行うことをお勧めします。