電池のしくみ
01/04バッテリーの定義
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ホセ・ルイス・ペラエス/ゲッティイメージズ
あ バッテリー 、実際には電池であり、化学反応から電気を生成するデバイスです。厳密に言えば、バッテリーは直列または並列に接続された2つ以上のセルで構成されていますが、この用語は一般的に単一のセルに対して使用されます。セルは負極で構成されています。イオンを伝導する電解質。イオン伝導体でもあるセパレーター。そして正極。の 電解質 水性（水で構成される）または非水性（水で構成されない）、液体、ペースト、または固体の形である可能性があります。セルが外部負荷または電力を供給されるデバイスに接続されている場合、負電極は、負荷を通って流れ、正電極によって受け入れられる電子の電流を供給します。外部負荷が取り除かれると、反応は停止します。
一次電池は、化学物質を電気に変換できるのは 1 回だけで、その後は廃棄する必要があります。二次電池には、電気を戻すことによって再構成できる電極があります。蓄電池または充電式電池とも呼ばれ、何度も再利用できます。
バッテリーにはいくつかのスタイルがあります。最もよく知られているのは使い捨てです アルカリ乾電池 .
02/04ニッケルカドミウム電池とは？
最初 ニカド電池 によって作成されました ヴァルデマー・ユングナー 1899年スウェーデン。
この電池は、正極（カソード）に酸化ニッケル、負極（アノード）にカドミウム化合物、電解液に水酸化カリウム溶液を使用しています。ニッケルカドミウム電池は充電式なので、繰り返し使用できます。ニッケルカドミウム電池は、放電時に化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、再充電時に電気エネルギーを化学エネルギーに変換します。完全に放電された NiCd バッテリーでは、カソードには水酸化ニッケル [Ni(OH)2] と水酸化カドミウム [Cd(OH)2] がアノードに含まれています。バッテリーが充電されると、カソードの化学組成が変化し、水酸化ニッケルがオキシ水酸化ニッケル [NiOOH] に変化します。アノードでは、水酸化カドミウムがカドミウムに変換されます。バッテリーが放電されると、次の式に示すようにプロセスが逆になります。
Cd + 2H2O + 2NiOOH —> 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2
03/04ニッケル水素電池とは？
ニッケル水素電池は、1977 年に米国海軍の航法技術衛星 2 号 (NTS-2) で初めて使用されました。
ニッケル水素電池は、ニッケルカドミウム電池と燃料電池のハイブリッドと考えることができます。カドミウム電極を水素ガス電極に置き換えました。このバッテリーは、セルが圧力容器であり、1 平方インチあたり 1,000 ポンド (psi) を超える水素ガスが含まれている必要があるため、ニッケル カドミウム バッテリーとは見た目が大きく異なります。ニッケルカドミウムよりも大幅に軽量ですが、卵の箱のように包装が難しくなります。
ニッケル水素電池は、携帯電話やラップトップでよく見られる電池であるニッケル水素電池と混同されることがあります。ニッケル水素電池とニッケルカドミウム電池は、同じ電解質である水酸化カリウム溶液を使用します。これは一般に灰汁と呼ばれます。
ニッケル/金属水素化物 (Ni-MH) 電池を開発するインセンティブは、ニッケル/カドミウム充電式電池の代替品を見つけるという差し迫った健康と環境への懸念から来ています。労働者の安全要件により、米国でのバッテリー用カドミウムの処理は、すでに段階的に廃止されています。さらに、1990 年代と 21 世紀の環境法により、消費者向けバッテリーでのカドミウムの使用を削減することが不可欠になる可能性が最も高いでしょう。こうした圧力にもかかわらず、鉛蓄電池に次ぐニッケル/カドミウム電池は、依然として充電式電池市場で最大のシェアを占めています。水素ベースの電池を研究するためのさらなる動機は、水素と電気が化石燃料資源のエネルギー運搬貢献のかなりの部分を置き換え、最終的には置き換え、再生可能資源に基づく持続可能なエネルギーシステムの基盤になるという一般的な信念から来ています。最後に、電気自動車やハイブリッド車用のニッケル水素電池の開発にも大きな関心が寄せられています。
ニッケル/水素電池は、高濃度の KOH (水酸化カリウム) 電解液で動作します。ニッケル水素電池の電極反応は次のとおりです。
カソード (+): NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH- (1)
アノード (-): (1/x) MHx + OH- (1/x) M + H2O + e- (2)
全体: (1/x) MHx + NiOOH (1/x) M + Ni(OH)2 (3)
KOH 電解質は OH- イオンのみを輸送でき、電荷輸送のバランスをとるために、電子は外部負荷を介して循環する必要があります。オキシ水酸化ニッケル電極 (式 1) は、広く研究され、特徴付けられており、その用途は、地上および航空宇宙の両方の用途で広く実証されています。ニッケル水素電池の現在の研究のほとんどは、金属水素化物アノードの性能を改善することに関係しています。具体的には、（1）サイクル寿命が長い、（2）高容量、（3）定電圧での充放電率が高い、（4）保持容量が高い水素化物電極の開発が必要です。
04/04リチウム電池とは？
リチウム電池とは？ NASA
これらのシステムは、電解液に水を使用しないという点で、前述のすべてのバッテリーとは異なります。代わりに、イオン伝導性を提供するために有機液体とリチウム塩で構成される非水電解質を使用します。このシステムは、水性電解質システムよりもはるかに高いセル電圧を持っています。水がなければ、水素ガスと酸素ガスの発生が排除され、細胞ははるかに広い電位で動作できます。また、ほぼ完全に乾燥した環境で組み立てる必要があるため、より複雑な組み立てが必要になります。
多くの非充電式電池は、最初にリチウム金属をアノードとして開発されました。今日の時計用電池に使用されている市販のコイン型電池は、ほとんどがリチウム系です。これらのシステムは、消費者が使用するのに十分安全なさまざまな陰極システムを使用しています。カソードは、一フッ化炭素、酸化銅、五酸化バナジウムなど、さまざまな材料でできています。すべての固体陰極システムは、サポートする放電率に制限があります。
より高い放電率を得るために、液体カソードシステムが開発されました。電解質はこれらの設計では反応性があり、触媒サイトと電流収集を提供する多孔質カソードで反応します。これらの系のいくつかの例には、塩化チオニルリチウムおよび二酸化硫黄リチウムが含まれる。これらの電池は、宇宙や軍事用途のほか、地上の緊急ビーコンにも使用されています。それらは固体陰極システムよりも安全性が低いため、一般に公開されていません。
リチウム イオン電池技術の次のステップは、リチウム ポリマー電池であると考えられています。このバッテリーは、液体電解質をゲル状電解質または真の固体電解質に置き換えます。これらの電池はリチウム イオン電池よりもさらに軽量であると考えられていますが、現在、この技術を宇宙で飛行させる計画はありません。また、商業市場では一般的に入手可能ではありませんが、すぐに入手できるようになるかもしれません.
振り返ってみると、私たちはリークから長い道のりを歩んできました 懐中電灯 宇宙飛行が生まれた60年代のバッテリー。零下80度から太陽が通過する高温まで、宇宙飛行の多くの要求を満たすために利用できる幅広いソリューションがあります。大量の放射線、数十年にわたる使用、数十キロワットに達する負荷を処理できます。この技術は継続的に進化し、改良されたバッテリーに向けた絶え間ない努力が続けられます。