第６１回愛媛県児童・生徒理科研究作品特別賞〈愛媛県高等学校教育研究会長賞〉

すごいぞ！日本の電池技術

重曹蓄電池実用化への挑戦で得た感動
松山市立椿小学校

１

第６学年
指導教諭

白中

井塚義広真
樹

研究の動機
私の弟が小学３年生の時に、『びっくり！どら焼きの材料で発電 〜蓄電池の研究〜』という標題で自由研究をしました。
この自由研究では、身の回りにある材料で蓄電池ができるのかを調べるために、しょうゆ、ウスターソース、マヨネーズ、水道水、砂糖（砂糖水溶液）、塩（食塩水溶液）、酢、重曹（重曹水溶液）を使った実験をしました。実験の結果、なんと！どら焼きをふっくら焼き上げるのに欠かせない重曹水溶液と、鉛板電極の組み合わせで蓄電池ができることを明らかにしました。
この研究の結果を受けて私は、さらに深く重曹水溶液と鉛板電極の組み合わせでできる蓄電池の特性について調べたい、なぜ世の中には鉛・重曹蓄電池が無いのか、その理由を調べたいと思い、研究をすることにしました。

２重曹蓄電池の特性調査実験
表１に示す実験条件で、写真１に示す実験装置構成で充電を行い、放電実験は写真２に示すように行いました。（これらの実験は、重曹蓄電池３つを直列つなぎで行いました。
）

実験番号

※

実

表１充放電実験条件

験名

電極長さ

充電条件

Ｅ０３

重曹水溶液４％ＬＥＤ放電

７０［㎜］

９．
０［Ｖ］５［ｈ］

Ｅ０９重曹水溶液８％ＬＥＤ放電

７０［㎜］

９．
０［Ｖ］５［ｈ］

使用した鉛電極はリボン形状で、幅は１５［㎜］、厚さは０．
２５［㎜］で、以降長さを変えて実験を行いました。

電源装置

重曹蓄電池

電圧計
白色ＬＥＤ

重曹蓄電池
写真１ 実験装置構成

写真２ 白色ＬＥＤ放電実験の様子− 51 −

実験の結果、グラフ１で示すとおり重曹水溶液８％は、４％の場合と比較をして、充電条件が同じでもＬＥＤ放電時間が最大７倍になることが分かりました。

グラフ１ 放電実験の結果（Ｅ０３）の放電時間 約 １５［ｍｉｎ］（Ｅ０９）の放電時間 約１０５［ｍｉｎ］

３

重曹蓄電池の高容量化について
充電中におけるデンドライトによる短絡問題
これまでの実験で製作をした重曹蓄電池は、白色ＬＥＤ１つを点灯させる能力をもっていましたが、写真３に示す豆電球（２．
５［Ｖ］５００［ｍＡ］）を点灯させる能力はもっていませんでした。この理由は、白色ＬＥＤ１つを点灯させるのに必要な電流は５［ｍＡ］〜３０［ｍＡ］程度であるのに対し、豆電球では３００［ｍＡ］〜５００［ｍＡ］も必要で、実験で製作をした重曹蓄電池では、３００［ｍＡ］〜５００［ｍＡ］の電流を取り出すことができなかったためです。なお、白色ＬＥＤと豆電球で必要とする電圧は、どちらも２．
５［Ｖ］〜３．
０［Ｖ］

写真３ 豆電球です。（ただし、ＬＥＤは加える電圧が２．
４［Ｖ］未満の場合は点灯しませんが、豆電球は０．
８［Ｖ］程度までな らフィルタの上に電極を置くばわずかに点灯します。
）
蓄電池から多くの電流をその上にフィルタを置く

取り出すにはどうすればよいのか調べたところ、電極間距離を小さくして、さらその上に電極を置くに、電極面積を大きくすればよいということが分かり電極を巻いてこれを重曹水溶液に浸し重曹蓄電池とするました。
そこで、換気扇用のフィルタで電極をセパレートすることで、電極間距離を小写真４ 重曹蓄電池（重曹水溶液８％）の高容量化の試行さくして重曹蓄電池を製作しました（写真４）。
この重曹蓄電池を充電したところ、充電開始から３０分を超えたあたりから急激に充電流が大きくなり、電源装置の安全装置が働いて電源がＯＦＦになりました。
− 52 −

この原因を探るために重曹蓄電池の内部を開けてみると、フィルタにいくつかの黒い点が発生していました（写真５）。この部分を調べると電極のプラス極とマイナス極が接触をしており、この結果、回路が短絡をしていることが分かりました。
この現象について調べてみると、電極間に電流を流すことで図１のようにデンドライトが発生し、これによって電極が触れて短絡をすることがあるようです。今回の実験結果もこのことが原因ではないだろうかと思いました。

写真５ デンドライトの発生による電極間短絡

デンドライト対策
デンドライトが発生すると、これが換気扇用のフィルタの穴を突き抜けてしまい、電極が短絡をして充電がうまくできないことが分かりました。
デンドライトを通さない程度の小さな穴の開いたシートが無いか調べてみると、セロファンは目に見えない非常に小さな穴が開いており、セパレータに向いていることが分かりました。
この調査結果を受けて、今回は、フタムラ化学株式会社様のご厚意で、研究用に無償で分けていただいたアルカリ電池専用セロファン（Ｐ

図1

デンドライトの発生の様子（概要）５−１＃３００）を用いて実験をすることにしました（写真６）。
前述のセロファンを使って、図２に示す構造で、重曹蓄電池（電極長さ４６０［㎜］）を製作しました（写真７）。
この重曹蓄電池では豆電球を点灯させることができ、点灯時間は約１２０［ｓｅｃ］でした。

写真６ アルカリ電池専用セロファン

図２ セロファンを使った重曹蓄電池の断面構造− 53 −

写真７ 重曹蓄電池（重曹水溶液８％）

重曹蓄電池の高容量化達成と放電性能評価
重曹蓄電池から取り出せる電流を大きくするには、充電時にデンドライトに邪魔をされないように、セパレータを使って電極間距離を小さくすればよいことが分かりました。さらに、大きな電流を長く取り出すには電極面積を大きくすればよいので、この実験を行いました。
実験は、電極長さ２０００［㎜］、直径約１１０［㎜］の重曹蓄電池を３つ製作して行いました（写真８）。
また、充電は１セルあたり３［Ｖ］で１０［ｈ］間行いました。

写真８ 重曹蓄電池（重曹水溶液８％）

なお、放電実験は重曹蓄電池３つを直列つなぎ（放電初期電圧約５［Ｖ］）
で行いました。
初期電圧が高いため、豆電球２つを直列つなぎとして放電実験を行いました（写真９）。
放電実験の結果、豆電球を約４０［ｍｉｎ］間安定して点灯させることができました。
今回製作をした重曹蓄電池の放電性能評価をするために、市販品の乾電池との性能比較をしました（図３）。
比較の結果、製作をした重曹蓄電池は、市販品の単５型アルカリ乾電池とほぼ同じ放電性能であることが分かりました。しかし、重曹蓄電池と市販品の単５型アルカリ乾電池では、重さ
写真９ 豆電球による放電実験の様子

は７３倍、体積は７６４倍も重曹蓄電池の方が大きく、さらには、市販品の単５型アルカリ乾電池の使用期限は製造から２年間を保証していますが、重曹蓄電池
では自己放電により２２時間程度で完全放電してしまうことも分かりました。
結論として、重曹蓄電池は実用化には全く適さないことが分かりました。また、今回の研究を通じて私は、日本の電池技術水準の高さを痛感し、感動しました。
４

図３ 重曹蓄電池の放電性能評価
放電性能比較では、重曹蓄電池の放電実験と同じ実験
条件、すなわち、乾電池は３つを直列つなぎとして、豆電球は２つを直列つなぎとして、放電実験を行いました。

参考文献
０５．
電池の内部抵抗と過電６３０７／５
６３０７＿０５．
asp
https : //edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public／５
リチウムイオン電池用セパレータの技術動向 ２０１
５年１０月機能紙研究会誌 No．
５４吉野彰

ｐ９〜ｐ１３５回）株式会社
Vol．
８，No．
４，２０１
５年８月３１日発行／ナノイノベーションの最先端（第３日本触媒：https : //www.nanonet.go.jp/magazine/archive/?page＝１３４３．
html
日本ガイシサイエンスサイト：https : //site.ngk.co.jp/lab/no７４／− 54 −