電池はどうやって電気を作る？
乾電池が電気を作れるのは、電池の中にある異なる材料が化学反応を起こし、材料に蓄えられたエネルギーを電気として取り出せるからです。電池のプラス極とマイナス極を懐中電灯などの回路でつなぐと、電子が動き、ライトを光らせたりモーターを回したりできます。
身近なアルカリ乾電池を例に、電池の中身と電気が流れる仕組みを順番に見ていきましょう。
乾電池の中には何が入っている？
一般的なアルカリ乾電池には、電気を取り出すための材料が入っています。特に大切なのは、二つの極に使う物質と電解液です。
- プラス極の材料：二酸化マンガンという物質です。電池を使うとき、電子を受け取る側になります。
- マイナス極の材料：亜鉛（あえん）という金属です。化学反応によって電子を外へ送り出す側になります。
- 電解液（でんかいえき）：電池の内側で、電気を帯びた小さな粒である「イオン」が動くための液体です。アルカリ乾電池には水酸化カリウムなどのアルカリ性の液が使われます。
電池の内部にはさらに、プラス極とマイナス極が直接触れないようにする「セパレーター」という仕切りもあります。電池工業会は、これらの材料や部品が組み合わさってアルカリ乾電池ができていると説明しています。
「乾電池」という名前でも、中が完全に乾いているわけではありません。電解液が外へこぼれにくい構造になっているのです。
スイッチを入れると、電池の中で何が起こる？
懐中電灯のスイッチを入れ、電池とライトをつなぐ通り道ができると、次の変化が続いて起こります。
- マイナス極で反応が起こる：亜鉛などの材料が化学変化し、電子を送り出せる状態になります。
- 電子が外側の回路を進む：電子はマイナス極側から、電線やライトなどの部品を通ってプラス極側へ移動します。
- プラス極でも反応が進む：プラス極の材料は電子を受け取り、別の化学変化が起こります。
- 電池の内部でイオンが動く：電解液の中のイオンが移動し、二つの極で反応が続けられるように働きます。
電池工業会とパナソニック エナジーは、マイナス極から出た電子が外の導線を通ってプラス極へ移ることを、電池から電気を取り出す基本の仕組みとして説明しています。
つまり、外の回路では電子が動き、電池の中の電解液ではイオンが動くという役割分担があります。これらが組み合わさって、電池は電気を流し続けられます。
電子はマイナスからプラスへ進むのに、電流は逆向き？
理科では「電流はプラス極からマイナス極へ流れる」と習います。一方、金属の電線の中で実際に移動する電子は、マイナス極側からプラス極側へ向かいます。
これは間違いではありません。電子が発見されるより前に、電流の向きを「プラスからマイナス」と決め、その決まりが今も使われているためです。電流の向きと、電子が移動する向きは逆だと覚えると、回路の説明を読みやすくなります。
スイッチを切ると、なぜライトが消える？
懐中電灯のスイッチを切ると、電池とライトをつなぐ電気の通り道が切れます。ライトへ電流が流れなくなるので、光りません。
もう一度スイッチを入れると通り道がつながり、電池がまだ使える状態なら点灯します。電池が電気を取り出せる状態でも、機器までつながった回路がなければ、その機器を動かせないのです。
なお、使わずに置いている電池も、内部でゆっくり反応が進むことがあります。これを「自己放電」といい、長い間保管すると使える力が少しずつ減る場合があります。
電池がなくなるのは、何がなくなるから？
乾電池を使うと、中の材料が少しずつ化学反応で変わっていきます。使い続けるうちに反応できる材料が減り、必要な電圧や電流を十分に出せなくなります。これが「電池がなくなった」と呼ばれる状態です。
電子が一粒ずつ消えてなくなるのではありません。化学エネルギーを電気エネルギーに変えて取り出す働きが弱くなるのです。電池工業会も、使い切りの電池は内部の化学反応が進むと電気を取り出せなくなると説明しています。
時計が止まったり懐中電灯が暗くなったりするのは、機器を動かすのに必要な電気を十分に供給できなくなったためです。
充電池が繰り返し使えるのはなぜ？
一般的なアルカリ乾電池は使い切りの「一次電池」です。一方、ニッケル水素充電池やリチウムイオン電池は、充電して繰り返し使う「二次電池」です。
充電池では、電気を使うときに進んだ化学反応を、外から電気を与えて逆向きに進め、再び電気を取り出せる状態へ近づけます。ただし、何度でも同じ性能で使えるわけではなく、使い方や経年によって性能は変化します。
なお、一般的な単3形アルカリ乾電池は公称1.5ボルト、ニッケル水素充電池は公称1.2ボルトです。「ボルト（V）」は電圧を表し、その大きさは電池の材料などによって異なります。機器には指定された電池を使いましょう。
懐中電灯で電気の通り道を観察してみよう
乾電池を分解しなくても、電池式の懐中電灯で電気が流れる条件を確かめられます。
- スイッチを切った状態で、説明書に従い、指定された種類の電池をプラス・マイナスの向きに合わせて入れます。
- 電池ぶたを閉じ、スイッチを入れてライトが点灯することを確認します。
- スイッチを切り、光が消えることを確かめます。
- もう一度スイッチを入れ、回路がつながると点灯する様子を比べます。
この観察で、電池だけでなく、電気の通り道やスイッチも必要なことが分かります。電池のプラス極とマイナス極を金属の針金などで直接つなぐ実験はしないでください。大きな電流が流れて発熱する危険があります。
電池を安全に扱うための注意
乾電池を切ったり、穴を開けたり、分解したりしないでください。中の電解液が皮膚などに付くと、化学やけどを起こすおそれがあります。仕組みを確かめるために中身を取り出す必要はありません。
使い切りの乾電池を充電器で充電することも危険です。液漏れ、発熱、破裂、発火につながるおそれがあります。充電器を使えるのは、対応する充電式電池だけです。電池工業会は、電池の分解、ショート、一次電池の充電を避けるよう注意しています。