化学. 17-2一次電池と二次電池

この本や記事で分かること

・二次電池とは何か

・なぜ、ダニエル電池やボルタ電池は充電できないのか

・充電のできる鉛蓄電池の特徴

　マンガン電池やアルカリ電池は、使い切ってしまい放電した状態になると、充電して再利用することはできません。

　このような電池は一次電池と呼ばれ、使い切りの電池となります。

　一方で、使い切った後も充電することで再利用することのできる電池は、二次電池、充電池、蓄電池などと呼ばれています。

　代表的な二次電池には、鉛蓄電池やリチウムイオン電池などが挙げられます。

　鉛蓄電池は硫酸中に、負極である鉛(Pb)と正極となる酸化鉛(PbO₂)からなる電池です。

　電池式は以下の通りです。

　(-) Pb | H₂SO₄ | PbO₂ (+)

　負極である鉛(Pb)は硫酸中に溶けだし、鉛イオンになりますが、硫酸イオンとむずびつき、硫酸鉛となり負極表面に付着する反応が発生します。

　負極：Pb + SO₄^2- → PbSO₄ + 2e^–

　正極でも、酸化鉛(PbO₂)が電子を受け取り、鉛イオンになりますが、すぐに硫酸イオンと結びつき、硫酸鉛となり、正極表面に付着する反応が発生します。

　正極：PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^– → PbSO₄ + 2H₂O

　電極全体では、以下のような反応となります。

　Pb + PbO₂ + 2H₂SO4→　2PbSO₄ + 2H₂O

　二次電池は充電を行うことで、失った電力を取り戻すことのできる電池のことです。充電とは放電時とは逆向きに外部から電流を流すことで、正極と負極の状態を放電前に戻すことになります。

　ボルタ電池の正極、負極でのそれぞれの反応は以下の通りです。

　負極：Zn → Zn^₂+ + 2e-

　正極：2H⁺ + 2e^–→ H₂

　ボルタ電池では、水素イオンはガスとしてセルから出て行ってしまうため、逆向きの反応を発生させても、元の状態にすることができないため、充電することはできません。

　ダニエル電池では以下のような反応が起きています。

　負極：Zn → Zn^₂+ + 2e-
　正極：Cu²⁺ + 2e^–→ Cu

　逆反応を起こし、正極に析出した銅をイオンに戻し、亜鉛イオンを還元して、亜鉛として負極に析出させれば、充電ができそうに思えます。　

　しかし、逆反応を起こすと、負極室と正極室を分けていた隔膜の中をCu²⁺が隔膜の中を通り、負極室に移動してしまいます。

　銅は亜鉛よりも、イオン化傾向が低く、還元されやすいため、負極の亜鉛に銅が析出してしまいます。逆反応を行っても、電極を元の状態に戻すことができないため、ダニエル電池も充電することはできません。

　鉛蓄電池は外部から逆方向に電気を流すことで、放電時と反対の反応を起こすことが可能です。

　負極では、電子が豊富な状態となるため、放電時に生成した硫酸鉛が鉛に変化します。

　負極： PbSO₄ + 2e^– → Pb + SO₄^2-

　正極では、硫酸鉛と水が反応し、酸化鉛となります。

　正極：PbSO₄ + 2H₂O → PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^–

　このように、逆方向の電流を流すことで、充電ができる電池を二次電池と呼びます。一方、ボルダ電池やダニエル電池、乾電池のように逆方向の反応を起こすことが難しい、不可能な電池を一次電池と呼びます。