電気バッテリーのセル電圧
電気バッテリーのセル電圧は、正極と負極を構成する材料の電位差によって生み出されます。この電位差は、電気化学反応で起こります。バッテリー全体の電圧は、以下の要素によって決定されます。
- 化学: 正極と負極を構成する材料の電位差。
- セルの数: 直列に接続されたバッテリーは、個々のバッテリーの電圧にバッテリーの数を乗じた電圧を生み出します。
異なるバッテリーの化学構成は、異なるセル電圧を生み出します。
- 1.5V (DC) – 使い捨てアルカリバッテリー（例：AAA、AA、Cセル）の一般的な開放回路電圧。
- 3V (DC) – 金属リチウムをアノードとするリチウムベースの一次電池。ほとんどのリチウム金属セル（例：ボタンセル）の電圧は3V。
- 3.8V (DC) – ほぼ全てのリチウムイオンバッテリーは3.8ボルトで動作します。
- 12V (DC) – 自動車用バッテリーの一般的な電圧は12ボルト(DC)。このバッテリーは、6つの2V鉛セルから構成されています。
電気バッテリーは、本質的にDC電気エネルギーの源です。貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換し、電気および電子回路での電流の流れを可能にする電動力を提供します。典型的なバッテリーは、一つ以上のボルタ電池から構成されます。
電気化学セルの基本原理は、電解質によって分離された二つの電極で自発的な酸化還元反応が起こることです。電解質はイオン伝導性があり、電気的に絶縁された物質です。
アルカリ電池が1.5Vである理由
アルカリバッテリーでは、負極は亜鉛、正極は高密度の二酸化マンガン(MnO2)です。カリウム水酸化物(KOH)のアルカリ電解質は反応中に消費されず、亜鉛とMnO2だけが放電中に消費されます。カリウム水酸化物のアルカリ電解質は、消費されたOH−と同じ量が生成されるため、残ります。半反応式は以下の通りです。
Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28 V]
2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15 V]
全体の反応式：Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + Mn2O3(s) [e° = +1.43 V]
アルカリバッテリーと充電式バッテリーの電圧の違い
一般的に、バッテリーは貯蔵された化学エネルギーを電気エネルギーに変換するための電気化学過程を利用します。これにより、電気および電子回路での電流の流れを可能にする電動力が提供されます。一次（使い捨てまたはアルカリ）バッテリーは、新品の時に1.5Vの開放回路電圧を持つセルを使用します。二次（充電式）バッテリーは、1.2Vの開放回路電圧を持つNiMhまたはNiCdのセルを使用します。実際には、アルカリバッテリーと充電式バッテリーは、異なる電圧特性を持っていても、セットで交換可能に使用できます。これは、異なる化学構成によるものです。
