電池 の いろは
東京理科大学

谷内利明
Toshiaki Yachiの核崩壊を用いた原子力電池など，物理現象によって生まえがき

じた電子により発電する電池です．物理電池は蓄電機能

テレビ，冷蔵庫などの家電機器から，自動車，電車などがなく発電主体の電池です．の乗り物や事業所，工場に至るまで，電気エネルギーは今や私たちの生活に欠かせません．その電気エネルギーをより便利に，より効率良く，より環境に優しく使うため，私一次電池たちの身の回りには多くの電池が使用されています．携帯化学電池は，1791 年にガルバーニがカエルの足から電電話，ノートパソコンにはリチウムイオン二次電池，車に池の原理を発見したことに始まります．1800 年には，ボは鉛蓄電池やニッケル水素二次電池，懐中電灯，玩具にはルタ電池が発明され，1880 年代には現在の一次電池の原アルカリ乾電池，時計にはボタン形酸化銀電池，屋根には形となる乾電池が発明されました．ボルタ電池は，銅板（正シリコン太陽電池など数え上げたらきりがありません．電極），亜鉛板（負極）と希硫酸（電解液）で構成されてい池の働きは発電と蓄電です．必要なときに，必要な場所で，ます．正極，負極では以下の化学反応が起こり，負極で生必要な量の電気エネルギーを各種装置に供給します．

じた電子が外部導線を伝わることで正極から負極に電流が流れ，電気エネルギーとして利用できます．
（負極）Zn → Zn ＋ 2e−2＋

電池の種類＋（正極）2H ＋ 2e− → H2

電池は大別して化学電池と物理電池に分けられます．化

一次電池には，マンガン乾電池，アルカリ乾電池，空気学電池は，正極，負極，電解質（液）で構成され，負極亜鉛電池，酸化銀電池，二酸化マンガン−リチウム電池なの化学反応で作られた電子が外部導線を伝わって正極にど用途に合わせて多種類の電池があります．また形状は，達することで，正極から負極に電流が流れます．反応物

円筒形，角形，ボタン形などがあり，大きさも例えば円筒を電池内に持っており，反応物がなくなると発電を終了

形では単 1 から単 5 まで作られています．

する電池を一次電池，反応で生じた生成物を充電によって反応物に戻し，繰り返し使用できる電池を二次電池と負荷
e− 電子いいます．また，外部から反応物（燃料）を供給し継続的に発電する電池が燃料電池です．バイオ電池（生物燃料電池）は，生物の呼吸と似た反応で糖やアルコールから酵素やバクテリアを用いて電気エネルギーを作ります．

正極（銅）

化学エネルギーは本来エネルギーの蓄積・輸送が得意な

太陽電池，熱電効果を用いた熱起電力電池，放射性物質
化学電池

一次電池
二次電池
燃料電池
バイオ電池

物理電池

太陽電池
熱起電力電池
原子力電池

図1176

© 電子情報通信学会 2011

電池の種類

e−

e−

ので，電池の働きに合っており，多種多様な化学電池が使われています．一方，物理電池は，光電効果を用いた

負極
（亜鉛）

H

e−
SO42−

e−

+

SO42−+

H

H2

Zn

電解液
Zn2＋H+ （希硫酸）

H+

図2

Zn2＋

SO42−

ボルタ電池のしくみ

二次電池
電気エネルギーの使用量が多い場合，使い捨ての一次電池では費用がかさむので繰り返し使用できる二次電池が使われます．二次電池も，車のバッテリに使われる鉛蓄電池，
通信ソサイエティマガジン No.19［冬号］2011

ハイブリッド車のニッケル−水素電池，携帯電話・ノート

固体高分子形燃料電池は，動作温度が 100℃以下と比較

パソコンのリチウムイオン電池，電力貯蔵用のナトリウ的低温であることからコスト低減が望め，自動車用や家庭ム−硫黄電池など用途に合わせて多くの電池があります．

用燃料電池として期待されています．家庭用コージェネ

リチウムイオン電池の正極と負極では，以下に示すようにレーションシステムとして開発されたエネファームの導入

放電時は左から右へ，充電時では右から左への化学反応がが現在進められています．

各々行われ，リチウムイオンが電解液中を，電子が外部回路を通ることで電気エネルギーの出し入れが行われます．
＋（負極）LinC6

6C ＋ nLi ＋ ne −＋（正極）Li（1−x）CoO2 ＋ nLi ＋ ne −LiCoO2太陽電池
現在最も普及が進んでいるシリコン系太陽電池は，1954

繰り返し使用する二次電池では，電池の劣化を防ぎ安全

年にベル研究所で発明され，1958 年には人工衛星の電源性を確保するため，電池の特性に合わせて充放電に工夫がとして搭載されました．シリコン単結晶太陽電池は，シリ必要です．例えばリチウムイオン電池では，過充電防止，コン単結晶（4 価）にりん（5 価）を添加した n 形半導体と，過放電防止，過電流防止などの保護回路や安全弁などが内ボロン（3 価）を添加した p 形半導体とからなる pn 接合蔵されています．

で構成されます．pn 接合に光が照射されると価電子帯の電子が伝導帯に励起され電子と正孔の対ができます．pn接合部の電界によって，電子は n 形領域に正孔は p 形領域

燃料電池に移動します．p 形領域と n 形領域を外部導線でつなぐと燃 料 電 池 は 1839 年 に グ ロ ー ブ 卿 に よ っ て 発 明 さ れ，n 形領域の電子が外部導線を伝わって p 形領域に達します．

1900 年代半ばにはジェミニ衛星やアポロ宇宙船に搭載さこのとき電流，いわゆる光電流（＝短絡電流：ISC）が流れれました．アルカリ形，リン酸形，固体高分子形，溶融炭ます．また，外部導線を開放すると端子間に開放電圧（VOC）

酸塩形，固体酸化物形など多種類の燃料電池があり，一般が生じます．太陽電池には，シリコン系以外に化合物系，的な普及に向けて研究開発が進められています．火力発電

有機系があります．化合物系の CIS（Cu − In − Se）太陽電で電気エネルギー取り出す場合カルノーサイクルの制約が池や有機系の色素増感形太陽電池は，低価格化をねらいとありますが，燃料電池では電気化学反応で直接電気エネルして現在精力的に研究されています．また，ガリウム−ひギーを取り出すので化石エネルギーから電気エネルギーへ

素太陽電池は宇宙用や集光形システム用に，一段と高い性の高効率な変換が期待できます．また，水素を燃料とする能を目指した開発が進められています．

場合には，生成物は水だけなので，環境に優しい発電が実現できます．固体高分子形燃料電池では，正極（空気極）

光に空気を，負極（燃料極）に水素を供給し，以下の化学反応により負極で生じた電子が外部導線を伝わることで正極から負極に電流が流れ，電気エネルギーとして利用されま

電子
伝導帯 n 形

p形
EFす．なお，負極で生成した水素イオンは固体高分子電解質
膜を通り抜け正極に移動します．
＋−

O2 ＋ 2H ＋ 2e → H2O

（正極）

図4

H2e−

e−+H+H
水素イオン

e−電子

O2H2O

シリコン太陽電池のしくみ

むすび
電池は，各種電子機器の心臓に当たります．電子装置本来の機能を電池自身が果たすわけではありませんので，より小さくパワフルで，より安全で，より安いことが求めら
水蒸気

電解質

Voc

空気空気極

燃料極

未反応
水素正極

水素負極

e−電子

正孔I sc

負荷p形n形qVoc
価電子帯＋（負極）H2 → 2H ＋ 2e−

光れます．この要求に向けて今も多種類で多様な電池の開発が進められています．常に電池の性能向上に注目して，電子機器本来の機能向上に生かしていくことが必要です．

図3

固体高分子形燃料電池のしくみ

子どもに教えたい通信のしくみ

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