乾電池はどうやって電気を生み出すのか？ 酸化還元反応から理解する電池の仕組み

最近、電気自動車（EV）について興味を持ち、バッテリーの仕組みを勉強し始めた。

現代のEVにはリチウムイオン電池が搭載されている。電池の材料や性能について調べているうちに、ふと疑問が浮かんだ。

そもそも、電池はどうやって電気を生み出しているのだろうか。

リチウムイオン電池を理解する前に、まずは身近な乾電池の仕組みを知っておきたい。

そう思ってアルカリ乾電池について調べてみた。

乾電池の中では化学反応が起きている

一般的なアルカリ乾電池には、大きく分けて4つの構成要素がある。

• 正極：二酸化マンガン（MnO₂）

• 負極：亜鉛（Zn）

• 電解液：水酸化カリウム（KOH）水溶液

• セパレーター：正極と負極の直接接触を防ぐ材料

乾電池という名前だが、実際には内部に水溶液が存在する。

そして、電池の内部では酸化還元反応が起きている。

負極では、亜鉛が酸化されて電子を放出する。

Zn + 2OH⁻ → ZnO + H₂O + 2e⁻

一方、正極では二酸化マンガンが電子を受け取って還元される。

2MnO₂ + 2H₂O + 2e⁻ → 2MnO(OH) + 2OH⁻

両者を足し合わせると、全体の反応式は次のようになる。

Zn + 2MnO₂ + H₂O → ZnO + 2MnO(OH)

電池は、この化学反応によって取り出せるエネルギーを、電気エネルギーとして利用している。

詳しい原理は以下の解説がわかりやすかった。

https://www.panasonic.com/jp/energy/study/academy/sikumi.html

酸化還元反応を空間的に分離するという発想

ここで、私が最も面白いと思ったことがある。

それは、電池では酸化反応と還元反応を空間的に分離しているということだ。

通常、酸化剤と還元剤が直接反応すると、電子は反応する物質の間で受け渡される。

しかし、それだけでは外部の電気機器を動かすことはできない。

そこで、電池では正極と負極を別々に配置する。

負極で発生した電子は、外部回路を通って正極に移動する。その途中に電球などの電気機器を設置すれば、電子の流れを利用して仕事をさせることができる。

これを可能にしている重要な部品が、セパレーターだ。

セパレーターは、正極と負極の直接接触を防ぎながら、電解液中のイオンが通過することを許している。

つまり、電池内部では電子とイオンの通り道が分離されている。

電子は外部回路を移動し、イオンは電解液中を移動する。

この二つの移動が連動することで、電池の中では酸化還元反応が継続する。

化学反応をただ起こすのではなく、反応が起こる場所と電子の移動経路を設計する。

この発想自体が、電池という技術の本質なのだと思った。

イオンはなぜ移動するのか？

ここで、さらに疑問が生まれた。

電子が電位差によって移動することは理解できる。では、電解液中のイオンはなぜ移動するのだろうか。

その駆動力になるのが、電気化学ポテンシャルの差である。

イオンの移動には、大きく二つの要因がある。

一つは濃度勾配。イオンは濃度差があれば、基本的には濃い場所から薄い場所へ拡散する。

もう一つは電位勾配。イオンは電荷を持っているため、電場による力を受ける。

アルカリ乾電池では、正極でOH⁻が生成され、負極でOH⁻が消費される。

そのため、放電中にはOH⁻が正極側から負極側へ移動することで、電極反応の継続に寄与する。

このイオンの移動がなければ、電池内部で電荷の偏りが生じ、反応が継続できなくなってしまう。

つまり、電子の移動だけでは電池は成立しない。

電子の移動とイオンの移動が組み合わさって、初めて電流を継続的に取り出すことができる。

電池をつながなくても電圧が存在するのはなぜ？

もう一つ興味深かったのが、電流と電圧の違いだ。

乾電池を何にもつながずに置いておいても、両端には約1.5Vの電圧が存在する。

一方、外部回路を接続しなければ、基本的に電流は流れない。

これは、電池の正極と負極の間に電位差が形成されているからだ。

電位差の起源は、電極で起こる化学反応のギブズエネルギー変化にある。

電池の起電力は、次の式で表される。

ΔG = −nFE

ここで、ΔGは化学反応のギブズエネルギー変化、nは反応で移動する電子数に対応する係数、Fはファラデー定数、Eは起電力を表す。

つまり電圧は、化学反応によって取り出せる最大の電気的仕事を、移動する電荷量で割ったものと理解できる。

そして外部回路をつなぐことで、その電気エネルギーを取り出せるようになる。

電池は常に電流を流している装置ではなく、化学反応を利用して電位差を生み出し、電流を流せる状態を作っている装置なのだ。

ショートすると、なぜ発熱するのか？

電池の正極と負極を、抵抗の小さい銅線だけで接続したらどうなるのだろうか。

これは短絡、いわゆるショートと呼ばれる状態になる。

電池には内部抵抗が存在するため、実際に流れる電流には限界がある。しかし、外部回路の抵抗が非常に小さくなることで、大電流が流れる可能性がある。

ここで関係するのがジュール熱だ。

P = I²R

電流が大きくなると、抵抗のある部分で発生する熱は急激に増加する。

そのため、ショートによって電池内部や配線が異常に発熱し、液漏れや破裂、場合によっては発火につながることがある。

もちろん、実際の乾電池で試すのは危険だ。

そして、ここで面白かったのは、ショートした場合でも、基本的には通常の放電と同じ酸化還元反応が起こっているということだった。

電気エネルギーを有効な仕事として利用できるか、それとも熱として散逸してしまうか。

その違いは、外部回路の設計によって生まれる。

電球は抵抗によって光っている

ショートとジュール熱について考えていると、電球の仕組みも気になってきた。

白熱電球の内部には、フィラメントと呼ばれる細い金属線がある。

ここに電流を流すと、電気抵抗によってジュール熱が発生する。

フィラメントは非常に高温になり、熱放射によって可視光を放出する。

つまり、白熱電球は電気エネルギーを熱に変換し、その熱によって光を生み出しているのだ。

現在の白熱電球では主にタングステンが使われているが、エジソンが実用化を進めた初期の白熱電球には炭素フィラメントが使われていた。

ここで、以前観た映画『エジソンズ・ゲーム』のことを思い出した。

エジソンは単に電球を発明した人物だと思っていた。しかし、実際には電球のフィラメントだけでなく、発電機、配電網、ソケット、スイッチなどを含む照明システム全体の実用化に取り組んでいた。

特に、高抵抗のフィラメントを開発したことは、大量の電球へ効率よく電力を供給するためにも重要だった。

小さなフィラメントの材料設計が、都市全体の配電システムと結びついていたのである。

電気の仕組みを理解すると、エジソンの功績も以前とは違った視点から見えてくる。

乾電池は、化学反応を電気的仕事に変換する装置だった

今回、乾電池の仕組みを学んで最も印象に残ったのは、酸化還元反応を空間的に分離するという設計思想だった。

亜鉛が酸化され、二酸化マンガンが還元される。

それだけなら、単なる化学反応である。

しかし、正極と負極を分離し、電子とイオンにそれぞれ異なる移動経路を用意することで、化学反応のエネルギーを電気的仕事として取り出せるようになる。

さらに、フィラメントや抵抗などの外部回路を組み合わせることで、そのエネルギーを光や熱などに変換できる。

身近な乾電池の内部には、化学、熱力学、電磁気学、材料科学が凝縮されている。

そして、この基本原理はEVに搭載されているリチウムイオン電池にも共通している。

次は、乾電池との共通点や違いを意識しながら、リチウムイオン電池の仕組みを学んでみたい。