電池のしくみ化学反応から、
機器へエネルギーを渡す。

電池は「電気が詰まった箱」？

リモコンに入れる乾電池も、スマートフォンの充電池も、化学反応を利用して電気エネルギーを取り出す道具です。電子を大量に箱へ詰めておき、ふたを開けると流れ出す、という仕組みではありません。

ここで扱うのは化学電池です。光を電気へ変える太陽電池などは、同じ「電池」という名前でも原理が異なります。まず化学電池に共通する電極と電解質の役割を見て、次にリチウムイオン電池の放電と充電を比べます。

二つの電極と、二つの通り道

化学電池には、反応に関わる正極と負極、それらの間でイオンを移動させる電解質があります。イオンは、電子を失ったり受け取ったりすることで電気的な偏りを持った原子や分子などです。電解質の材料は電池の種類によって異なり、液体だけとは限りません。

放電中の電池では、負極側で電子を外の回路へ渡す反応と、正極側で電子を受け取る反応が対応して進みます。外側を機器につなぐと、電子は負極から機器を通り、正極へ向かって移動します。機器は、その回路を通じて電池からエネルギーを受け取ります。

内側にも電荷を運ぶ通り道が必要です。電解質を通るイオンの移動が、外の回路を流れる電子と対応します。電子の通り道と、イオンの通り道を分けることが、図を読む重要なポイントです。電池の内部でも、電子がそのまま電解質を横切って一周する、と考えると誤解になります。

**電子の流れる向きと、慣習として決められた「電流の向き」は逆です。**この記事の青い矢印は、電子の移動する向きを示します。電流の矢印が書かれた別の図と比べるときは、何の向きを表しているかを先に確かめます。

リチウムイオン電池の放電を追う

図1は、負極が左、正極が右にあるリチウムイオン電池の放電の模式図です。青い矢印は外の回路を流れる電子、緑の矢印は内部を移動するリチウムイオンを示します。

放電時にはリチウムイオンが負極側から正極側へ向かいます。それと対応して電子が外の回路を通り、機器へエネルギーを供給します。図の上側にある箱が、そのエネルギーを受け取る機器です。

正極と負極の間のセパレータは、二つの電極が直接触れることを防ぎながら、イオンの移動を可能にする役割を持ちます。イオンの通り道を全部ふさいでしまう壁ではありません。図では電解質を淡い背景、セパレータを中央の帯として描いています。

電極の材料や反応は製品によって異なります。図は特定製品の断面や巻き取り構造を写したものではなく、電子とリチウムイオンの経路を見分けるためのものです。また、他の種類の電池でも同じイオンが同じ方向に動くとは限りません。

充電は、反対向きにエネルギーを入れる

充電できる電池では、外の電源からエネルギーを与えることで、次の放電に使える状態へ戻していきます。リチウムイオン電池の例では、充電時にリチウムイオンが正極側から負極側へ移動します。外の回路の電子の移動も、放電時とは逆になります。

図2は図1と同じ位置に電極を置き、上側の機器を充電器へ置き換えています。電極の配置を変えずに矢印を比べると、放電と充電の違いが分かります。左を負極、右を正極と呼ぶ表記も、二つの図でそろえています。

↔ 表が収まらない場合は、横にスクロールして比較できます。

充電器は電池の種類や状態に合う条件で働かせる必要があります。図は直接つないで充電するための配線図ではありません。指定された充電器・機器の充電方法に従います。

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1. 負極：左側の電極
2. 正極：右側の電極
3. 充電器：電池に合わせてエネルギーを与える
4. 電解質：リチウムイオンが内部を移動する通り道
5. セパレータ：電極の直接接触を防ぎ、イオンの移動を可能にする

使い切りの電池と、充電池は何が違う？

使い切りの一次電池と、充電して繰り返し使う二次電池では、材料や構造が異なります。二次電池は、決められた条件で充電と放電を繰り返せるように設計されています。一次電池を充電器へ入れても、二次電池に変わるわけではありません。

↔ 表が収まらない場合は、横にスクロールして比較できます。

「リチウム」と名前に入っている電池でも、リチウム一次電池とリチウムイオン二次電池は別です。また、単3形のような外形だけでは、電圧や充電できるかどうかは判断できません。電池の表示と機器の指定を見ます。

電圧と容量は、同じ数字ではない

電圧はV（ボルト）、取り出せる電荷の量を表す容量はAhやmAhで示されます。mAhは「ミリアンペアアワー」で、電流と時間を掛けた単位です。1000mAhは1Ahに相当します。これは、一定の条件で取り出せる電荷の量を表す数字であり、どんな機器でも同じ時間動くという意味ではありません。

エネルギーの量を比較するならWh（ワットアワー）との区別も必要です。電圧を一定とみなす単純化では、電圧Vと容量Ahを掛けるとエネルギーWhの目安になります。例えば説明用に、3V・1Ahなら約3Wh、6V・1Ahなら約6Whと計算できます。実際の電圧変化や取り出せる量、回路での損失を無視した概算です。

したがって、**電圧の異なる電池をmAhだけで比べて「同じエネルギー」とすることはできません。**使用時間には、電池の状態だけでなく機器が消費する電力も関わります。電池の公称電圧は分類・表示のための代表値で、使っている間の電圧が常にその数字で固定されるわけではありません。

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1. V：電圧
2. Ah：取り出せる電荷の量
3. Wh：エネルギーの目安（一定電圧の概算ではV×Ah）

なぜ使えなくなり、充電池も劣化する？

放電が進むと、電極材料などの状態が変わり、機器に必要な条件でエネルギーを取り出しにくくなります。「切れた電池」は、物質も電子もすべてなくなった空箱ではありません。

充電池も、充電すれば永遠に最初と同じ状態へ戻るわけではありません。充放電に伴う材料の変化などが積み重なり、取り出せる量や性能が変化します。単純に「矢印を逆にすれば完全に元通り」とはならないためです。

また、端子どうしを金属などで直接つなぐ短絡（ショート）は、機器に必要な仕事をさせる通常の使い方と違います。大きな電流が流れて発熱するおそれがあります。電池を分解したり、一次電池を充電したりする実験を、この図から試さないでください。

電池からLEDへ、エネルギーをつなげる

電池を使うライトでは、電池が化学反応によってエネルギーを供給し、回路がLEDを動かす条件を整え、LEDが光を出します。LEDの仕組みを読むと、半導体から光が出るところと、白い光を作るところまで追えます。

一方、IHの仕組みは、電気から鍋底の熱を生む原理を扱います。家庭のIHをこの図の電池から動かす、という説明ではありません。電気を使う装置でも、光や熱など、利用するエネルギーの行き先が違うことを比べるためのつながりです。

電池の原理は、化学反応、外の電子の流れ、内部のイオンの移動を組み合わせて説明できます。さらに、使い切りと充電可能、電荷の容量とエネルギーの量を分ければ、身近な電池の表示も読み解きやすくなります。

電池の先で、電気は回転にも変わる

電池から取り出した電気は、LEDの光だけでなく、モーターの回転にも使われます。電池がエネルギーを供給する役と、モーターが回す力を作る役は異なります。モーターの仕組みで、電流・磁場・力の向きと、回転を続けるための切り替えを見てみましょう。