電池の科学：なぜ動いて、なぜ死ぬのか

要約

この記事では、カエルの脚と金属器具を使ったルイージ・ガルバーニとアレッサンドロ・ヴォルタの画期的な実験を含め、電池の歴史と科学について探求します。酸化還元が2つの物質間で電子の流れを作り出す方法、充電式電池がこのプロセスを逆転させる方法を説明し、電池の限界と電池技術の未来についても議論します。

電池の起源：ルイージ・ガルバーニとアレッサンドロ・ヴォルタ

電池は、1780年代にルイージ・ガルバーニとアレッサンドロ・ヴォルタがカエルの脚と金属器具を使った実験を始めて以来、長い道のりを歩んできました。ガルバーニは、生命の本質に電気が蓄えられていると考えていましたが、ヴォルタは、脚を動かすのは金属そのものであると主張しました。ヴォルタの画期的な実験は、互いに交互に重ねられた亜鉛と銅の層を、塩水溶液に浸した紙や布で分離することで行われました。この酸化還元サイクルにより、2つの物質間で電子の流れが作られ、電位の単位はヴォルタの発見に敬意を表してボルトと名付けられました。

酸化還元：電池の仕組み

電池の原理は、金属が酸化して、電子を送り出し、減少する物質によってまた回収される酸化還元サイクルです。このプロセスにより、2つの物質間で電子の流れが作られ、電球や掃除機などを2つの間に接続すると、それに電力を供給することができます。科学者たちは、化学溶液を化学ペーストで満たしたドライセルで置き換えることで、ヴォルタの設計を改良していますが、原理は同じです。

充電式電池：プロセスを逆転させる

電池の制限の1つは、金属の有限な供給量であり、ほとんどの金属が酸化された後、電池が死んでしまいます。充電式電池は、酸化還元プロセスを逆転させることで、この問題を解決します。電子は、電気を加えることによって逆方向に流れることができます。充電器を差し込むことで、壁コンセントから電気を引き出し、反応を駆動して金属を再生し、次に必要な酸化に利用できるようにします。

電池の限界

充電式電池でも、酸化還元プロセスの繰り返しにより、金属の表面に欠陥や不規則性が生じ、適切に酸化できなくなります。電子は回路を通じて流れることができなくなり、電池が死んでしまいます。一部の普通の充電式電池は、数百回の放電-充電サイクルで死んでしまいますが、新しい高度な電池は数千回生き残り、機能することができます。

電池技術の未来

将来の電池は、量子物理学の原理に基づいて動作し、何十万回もの充電サイクルが可能な軽くて薄いシートになるかもしれません。ただし、科学者が動力を利用して電池を充電する方法を見つけたり、デバイスのどこかにソーラーパネルを収める方法を見つけるまで、壁の充電器を差し込むことが致命的なビープを回避する最良の方法です。