「ブロック機能」のリニューアルについて

電池の電解液というのは、なんで硫酸とか塩化亜鉛とか水酸化カリウムとか、ややこしい物質を使わないといけないんですか?どういう物質であれば、電導性が良くなるんですか?

質問者からの補足コメント

  • いやただ単に、化学の素人から見て馴染みのない難しい物質だということですよ。食塩水や砂糖水じゃいけないのかな?と。それに硫酸が電解液になるならずっと硫酸を使い続けてもいいじゃないですか?次のややこしい物質、次のややこしい物質、と色々出てきますよね?それもなんでだろう?と。

    No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2022/03/09 10:42
  • 大変詳しく教えていただき、ありがとうございます!

    しかし・・・「溶けやすさ」が重要なら、固体電池を作るなんて無理じゃないですか?

    No.4の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時:2022/03/12 02:19
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A 回答 (5件)

こんにちは。


固体電池に関する追加のご質問をいただいていましたね。
お気づきのとおり、「固体電池への道はまだ遠い」というところでしょうか。

「電池というものが、金属が溶けることを原理とするなら、固体で電池を実現するなんて無理」というふうに考えるのはごもっともで、特に「常識的な日本人」としてはここであきらめるのが自然でしょうね。

 ただし、「冒険家」「非常識人」というのはいるもので、「普通の常識」をもう少し深く掘りこんでいきます。
・溶けるとは「イオン化」であり、それは金属原子や分子の「電子をはぎ取って不安定にすることだ」
・硫酸などの電解液は(実は水も)その分子ひとつひとつに電気の偏りがあるので、電子をはぎ取り、溶かすことができる。
・でも、ある種の高分子(まあ、プラスチック)も部分的に電気を偏らせることができ(静電気もその原理のひとつ)、「溶けた」のとよく似た現象を得ることができる。
・もし、それを使って電池を作れば、「液漏れで事故が起きることがない」、「高温で液が蒸発することもない」という利点があるから、挑戦する価値がある。

でも、実際にはまだうまくいっていない。
・通常、固体は液体のように分子が自由でない(活性が低い)ので、せっかくの偏りが全体に均一化してしまい、電気的な偏りが大きくない。
(電気エネルギーをたくさん貯めにくい・・高い電圧を得にくい、電気容量を大きくしにくい)
・通常、固体は液体のように分子が自由でないので、次々に分子が入れ代わることができない。
(何とかして電気エネルギーたくさん貯めこんでも、少し強めに電気を使うといったん電圧が落ちてしまい休ませないと次の電気が出てこない・・内部抵抗が大きい。弱めの電気をだらだら流すなら得意。)

ただし、これまた発想の転換でいくつか実現の道も出てきています。
・高温に強いなら、思い切って高温を維持しておく。そうすれば液体に近い活性も得られそうだ。
・液体式の電池と組み合わせる。短時間の強い電気(電流)は液体の電池に任せ、その電池をだらだらと充電することに徹する。

まあ、それでもいろいろな材料などが研究されており、意外にすんなり実用化になるかもしれないので、注意を払って情報を集めておくのは有意義かもしれません。

ご参考になれば幸いです。
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この回答へのお礼

大変詳しく教えていただき、ありがとうございました!

お礼日時:2022/03/16 23:53

こんにちは。


これまた随分と思い切ったご質問ですね。それゆえに回答側もちょっと考えさせられてしまいました。
次のような回答ではいかがでしょう。

ポイントは、「電解液がややこしいのは、”反応性”とは”毒”だから」

質問を少し言い換えてみると、「なぜ、電池の電解液は生活に身近なものではないのか」となりますね。
質問者さんは「化学の素人」と表現されていますが、「素人でもわかりやすい」とは「普通の生活に出てくるもの」と言い換えることができるでしょう。

ここで、思い切って単純な論法にすると次のようになります。
・電池とは、金属類が溶けるときに電気が起きる現象を利用するもの。
・金属は、タンパク質に比べて溶けにくい
・金属を溶かすような物質(液体)は溶かす力がとても強力
・人体はタンパク質でできているため、このような溶かす力の強い液体は危なくて生活では使わない。
・生活に使わないので、素人は知りにくい。だから難しく感じる・・・

もちろん、反応性とは「溶かす」だけでなく「結合する」であったり「置換する」であったりするので、危険の意味もう少し複雑でしょうが、まあ、とにかく「毒だから」(笑)
(例えばトイレの汚れは、塩酸より硫酸のほうがさらによく落ちます。でもトイレ洗浄剤に塩酸を使うのに硫酸を使わないのは、極端に反応性が高いので、例えば、わずかな滴で皮膚はただれて衣服にも穴が開きますし、ときにトイレブラシまで溶かしてしまう・・など、危なくて困ります。
(だから自動車バッテリーの交換作業には注意。まあ最近ではバッテリーも密閉化され自動車用品店がバッテリー用硫酸を置くことさえ稀になりました。)

ちなみに、鉛バッテリー(鉛と酸化鉛の電極)では、電解液がただの水でもわずかに電気は起きます。また、塩水だと水より格段に性能が上がり、事実、初期の実験では塩水も使われました。でも、硫酸だと鉛を良く溶かすのでさらに劇的に性能が上がることがわかったので今や硫酸。
 それでも、金属が溶け終わらないのに性能が落ちる現象が生じるのでその理由を研究したら、金属板表面に邪魔をする物質が溜まる現象(分極)がわかり、わずかに他の物質を混ぜることで軽減することがわかったので・・・
とさらに複雑な混合をするようになった。
(そのほかいろいろな物質や混合物でさらに性能が上がることがわかっているが、今度はコストが・・・。)

ということで、まあ、「生活上の物質でもある程度動くが、性能を突き詰めてみたら生活から離れた専用の物質が最適だった」ともいえるでしょう。

さてさて、いかがでしょうか。

ちなみに、電池は、プラスとマイナスの二つの金属の溶けやすさの差で取り出せるエネルギーがだいたい決まるので、まず、金属の組み合わせを決めます。(その後、それにあった電解液を決める)例えばマンガンと亜鉛の組み合わせはどちらもけっこう安い金属でそこそこに大きなエネルギーが出るので、乾電池として今でも有用です。
しかし、この金属の組み合わせでは充電ができないので、例えば、ニッケルとカドミウムの充電式電池が開発されました。ただし、これは金属の値段は高くて特にカドミウムは毒性もあるなどの欠点もある。
一方、カドミウムの代わりに水素を使っても同じような電気を発生できることはかなり昔にわかっていましたが、水素は通常は気体なので電池に組み込むことができないとしてあきらめていました。
ところが、金属に特殊な構造の隙間を作って水素を注入する技術が開発されたため、現在では「ニッケル水素電池」として100円ショップでも売るようになりました・・・

ついでに話題を変えてもう一つ。
質問者さんの「ややこしい」には「厳密さ」と「用語」の問題もあるでしょう。
「生活」とはいい加減なものなので、「だいたい」で動きます。
「砂糖」はブドウ糖、ショ糖、果糖などの混合物で、それぞれの比率で甘さや香りに多少の差は出ますが、基本的には「だいたい」甘ければよろしい。
「ガソリン」はいくつもの異なる油の混合物ですが、基本的には「だいたい」同じタイミングで発火してくれればエンジンは回ります。
しかし、特定の病人に糖分を投与するときは糖の種類まで指定しますし、エンジンの性能を上げたいときは「ハイオク」などとして種類を限定します。(ハイオク;高オクタン価ガソリン。原理的には「イソオクタン」という油だけを抽出して発火を安定化するもの。まあ、現在ではいろいろな添加物で安定化していますが)
ということで、「だいたい」で生活する場合と、「より高度な」活動をする場合とでは厳密さが違い、その結果として用語を使い分けることになる・・・ごいうのはご納得いただけませんでしょうか。

なお、「物質の研究の進歩」には、バッテリ電解液のように、いろいろな混合物を増やす(物質をさらにややこしくする)・・・方向のほか、逆に「不純物を減らす」(生活とは関係ないがとにかく単純にする)方向もありますね。
ICなどに使われる「半導体」(シリコン)や、通信用の光ケーブル用のガラスなどは、性能が悪い理由が混入物であることがわかり、一時期はとにかく純度を上げる研究がなされました。
(純度99.99999999%など。テンナインズなどといいます。)まあ、その後、また計画的に混合物を入れることにはなりますが。

すみません。ちょっと楽しくなってすっかり長くなってしまいましたが、お役に立てば幸いです。
この回答への補足あり
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硫酸については, 実際に今でも使ってるよ. いろいろと不便なこともあるのでどうにかしようと考えられてはいるけど.



あと「青色LED の『発見者』」はビジネス的に成功したとは言えないしノーベル賞ももらっていないはず>#2.
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No.1 です。

「補足」を見ました。

>食塩水や砂糖水じゃいけないのかな?と。

それでできればそれでもよいけど、少しでも「電圧が高い」とか「長持ちする」とか「安くできる」とか、いろいろなことを考えて「何か、よい物質はないか?」と探し続けているのだと思います。
人に先んじて見つけて、製品化するなり特許化すれば、大儲けできますからね。

「青色LED」なんて、そうやって発見されたのでしょう。
発見者はビジネス的にも成功し、ノーベル賞ももらえました。

そういう「ややこしい物質」を見つける努力が、科学技術の進歩ということなのでしょう。

スポーツや肉体労働をするとき、ただの水を飲むより「スポーツ飲料」や「栄養ドリンク」を飲んだ方が高いパフォーマンスを発揮できるのなら、そちらを選ぶでしょう。
その先に「ドーピング」という問題も出てくるわけですが。
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「ややこしい物質」の意味が分かりません。



あなたの体を作っているタンパク質なんか、もっと「ややこしい」と思いますけどね。
この回答への補足あり
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