【中学技術】充電と放電のしくみ｜リチウムイオン電池の安全な使い方と容量の計算問題

はじめに

スマホの充電が減ってくると、ついコンセントを探してしまいますよね。
毎日あたりまえのように使っている「充電」ですが、電池の中で何が起きているのかを説明できる人は、意外と多くありません。
実は技術の授業でも、定期テストでも、この「充電と放電」はよく問われるところなんです。

この記事では、放電と充電のしくみ、リチウムイオン電池の特徴、容量を使った計算、そして安全な使い方と捨て方までを、順番にまとめました。
むずかしい言葉は、身近な例に置きかえて説明しますよ。
動画で見たい人は、記事の最後にあるボタンから解説動画へ進めます。
テスト前の見直しにも使ってくださいね。

充電と放電の全体像

今回の話は、大きく三つに分けると整理しやすくなります。
一つ目は、放電と充電が電池の中で何をしているのかという「しくみ」の話です。
二つ目は、リチウムイオン電池の特徴と、容量を使った「計算」の話です。
三つ目は、熱や傷みから電池を守る「安全」の話です。
この順番で見ていくと、テストで問われやすい言葉が、自然につながって頭に入っていきます。

ポイント1：放電と充電のしくみ

電池は、中に入っている物質が反応することで電気を生み出す部品です。
この反応が進んで電気が外へ出ていくのが放電で、反応を逆向きにもどすのが充電です。
放電と充電は、同じ電池の中で向きが反対になっているだけだと考えると、ぐっと分かりやすくなりますよ。

放電とは電池から電気が出ていくこと

豆電球やモーターを電池につなぐと、明かりがついたり回ったりしますよね。
このとき電池の中では、しまわれている物質どうしが反応して、その力が電気となって外へ送り出されています。
この、電池から電気が出ていくことを「放電」といいます。
放電を続けると、反応する物質が少しずつ減っていくので、明かりが暗くなったり、モーターが遅くなったりして、やがて動かなくなります。
これが「電池が切れた」という状態の正体なんです。

テストでは「放電とは電池から電気を取り出すこと」と、一文で言えるようにしておくと安心です。
放電はスイッチを入れて回路がつながっているあいだ続き、スイッチを切れば止まります。
懐中電灯のスイッチを入れたままにして、次に使おうとしたら点かなかった、という経験はありませんか。
それは放電が進んで、電池の中の物質が使われてしまった結果なんですよ。

充電は反応を逆向きにもどすこと

ここで大切なのは、充電しているあいだは電気エネルギーが化学エネルギーに変わっているという点です。
電気をそのままの形でためているのではなく、いったん化学物質の変化としてたくわえているんです。
そして放電のときに、その化学エネルギーがもう一度電気エネルギーに変わります。
テストでは、この変換の向きを問う問題がよく出ますよ。

一次電池と二次電池の見分け方

電池は、充電できるかどうかで二つに分けられます。
マンガン乾電池やアルカリ乾電池のように、使い切ったら交換する電池が「一次電池」です。
一方、くり返し充電して使える電池が「二次電池」で、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、自動車に積まれている鉛蓄電池などがあります。
見分けるときは、本体に「充電式」といった表示があるかどうかを確かめるのが確実です。
見た目が乾電池にそっくりなものもあるので、形だけで決めつけないでくださいね。
この区別は、テストでも最初に問われやすいところです。

一次電池に充電しようとするのは、とても危険です。
一次電池は、反応をもどすことを考えて作られていないため、無理に電気を流すと、中でガスが発生して液がもれたり、最悪の場合は破裂したりするおそれがあります。
充電器にも、対応する電池の種類が決まっています。
充電するときは、電池と充電器の両方の表示を見て、組み合わせが合っているかを必ず確かめましょう。

ポイント2：リチウムイオン電池と容量の計算

二次電池の中でも、いま最もよく使われているのがリチウムイオン電池です。
スマホ、タブレット、ノートパソコン、そして電気自動車まで、身の回りの充電式の機器のほとんどに入っています。
中でイオンがどう動くのかと、容量の計算のしかたを押さえておけば、このポイントは得点源になりますよ。

リチウムイオン電池が選ばれる理由

反対に、苦手なこともあります。
それは、熱や強い衝撃、そして充電しすぎと使いすぎです。
だからスマホの電池には、充電をちょうどよいところで止めたり、使いすぎを防いだりする保護の回路が、一緒に組み込まれています。
便利さの裏側には、こうした安全のしくみがあるんですね。
この話は、ポイント3でくわしく見ていきます。

電池の中でイオンが行き来するしくみ

リチウムイオン電池の中には、正極と負極という二つの電極と、その間を満たす電解液が入っています。
電解液は、イオンが通る道の役目をしています。
充電するときは、リチウムイオンが正極から出て、電解液の中を通り、負極へ移動してためこまれます。
放電するときは、反対に、負極から正極へもどっていきます。
充電と放電の正体は、このリチウムイオンの往復だと考えると、分かりやすいですよ。
目には見えませんが、小さな粒が二つの電極のあいだを行ったり来たりしているイメージです。

イオンが動くとき、外の回路には電流が流れ、機器を動かします。
放電のときは、化学エネルギーが電気エネルギーに変わって、スマホの画面が光ったり、モーターが回ったりします。
充電のときは、逆に、電気エネルギーが化学エネルギーに変わって、電池にたくわえられます。
教科書には「正極から負極へ」「負極から正極へ」という向きの言葉が出てくるので、充電と放電のどちらの話なのかを区別して覚えましょう。

容量とmAhの計算のしかた

電池にどれだけの電気をためられるかを表すのが「容量」で、単位にはミリアンペアアワー、つまりmAhがよく使われます。
三千mAhの電池は、三千mAの電流を一時間流し続けられる量をもっているという意味です。
電流を半分の千五百mAにすれば、使える時間はその倍の二時間になります。
ですから、使える時間は、容量を電流でわれば求められます。
式にすると「時間（h）＝容量（mAh）÷電流（mA）」です。
つまり、容量が大きいほど、同じ電流で長く使えるということです。

例題を二つ見てみましょう。
容量三千mAhの電池に五百mAの電流を流し続けると、三千÷五百で六時間使えます。
また、容量四千mAhの空の電池を千mAで充電すると、四千÷千で四時間かかります。
ただし、実際の充電では熱として一部が失われるので、計算よりも少し長くかかります。
計算のコツは、式に入れる前に単位をそろえることです。
AhとmAhが混ざっていたら、一Ahは千mAhとして直してから計算しましょう。

ポイント3：安全な使い方と捨て方

リチウムイオン電池は、たくさんの電気をためられるぶん、扱い方をまちがえると発熱や発火につながることがあります。
だからこそ、使うときと捨てるときのルールがはっきり決まっているんです。
ルールの理由が分かれば、丸暗記しなくても自分で判断できるようになりますよ。

やってはいけない使い方

ほかにも、規格に合わない粗悪な充電器を使う、落として強くぶつけた機器をそのまま使い続ける、といった使い方も注意が必要です。
共通しているのは、「熱がこもる」「内部が傷つく」の二つです。
安全のためのルールは、この二つを避けるためのものだと考えると、丸暗記しなくても判断できます。
テストでも、理由とセットで答えられると強いですよ。

異常のサインを見つけたら

電池に異常が起きているときは、たいていサインが出ます。
代表的なのが、本体や電池パックがふくらんでいる、触れないほど熱くなっている、変なにおいがする、の三つです。
ふくらみは、内部でガスが発生している印なので、とくに注意が必要です。
こうしたサインを見つけたら、すぐに使うのをやめて、充電器やケーブルから外してください。
そして、先生や家の人に伝えて、指示に従って対応しましょう。
不安なときは、自分で判断せず、必ず大人に相談するのが基本です。

やってはいけないのは、ふくらんだ電池を指で押したり、針で穴をあけたり、自分で分解したりすることです。
内部が傷つくと、一気に発熱や発火につながるおそれがあります。
また、そのまま机の引き出しにしまいこむのも危険です。
周りに燃えやすい物がない場所へ移して、メーカーや販売店、自治体の案内に従って処分の相談をしましょう。
「おかしいな」と思ったときに、すぐ止めて伝える習慣が、いちばんの安全対策です。

捨て方と回収の流れ

使い終わった二次電池は、普通の燃えるごみや燃えないごみに混ぜて出してはいけません。
電池が押しつぶされると、中でショートして発熱し、ごみ収集車やごみ処理施設での火災の原因になるからです。
小さな電池でも、まとめて捨てられると大きな火災につながることがあります。
身近な電池ほど、出し方が大切なんです。
家電量販店やスーパーなどには、小型充電式電池の回収箱が置かれています。
そこへ入れるのが基本です。
お住まいの地域のルールも確かめてから出しましょう。

回収箱へ入れる前には、端子にセロハンテープなどを貼って、むき出しの部分をおおっておきます。
こうしておくと、ほかの電池の端子と触れて火花が出たり、ショートしたりするのを防げます。
回収された電池は、ニッケルやコバルトなどの金属を取り出して、資源として再利用されます。
安全に捨てることは、資源を守ることにもつながっているんです。

テスト前の確認リスト

ここまでの内容を、テスト前に見直せるチェックリストにまとめました。
一つずつ、頭の中で「自分の言葉で説明できるかな」と確かめながら読んでみてください。
説明できない項目があったら、その項目の見出しまでもどって、もう一度読み返しましょう。
とくに、放電と充電の向きの話と、容量の計算は、毎回のようにテストに出る定番のところです。
全部にチェックがつけば、このテーマはもう大丈夫ですよ。

• 放電は電池から電気を取り出すこと。充電は外から電気を流して反応を逆向きにもどすこと。
• 一次電池は使い切りで充電できない。二次電池は充電してくり返し使える。
• 充電では電気エネルギーが化学エネルギーに、放電では化学エネルギーが電気エネルギーに変わる。
• 使える時間は、容量（mAh）を電流（mA）でわって求める。単位は先にそろえる。
• 高温・布団の上・傷んだケーブルは避け、ふくらみや熱を見つけたら使用を中止する。

よくある質問

放電と充電は、結局なにがちがうのですか

結論は、電気の流れる向きと、エネルギーが変わる向きが逆になる、ということです。
放電は、電池の中の化学エネルギーが電気エネルギーに変わって、外へ電気を取り出す場面です。
充電は、外から入れた電気エネルギーが化学エネルギーに変わって、電池にたくわえられる場面です。
イオンの動きも、放電では負極から正極へ、充電では正極から負極へと、反対向きになります。
覚えるときは「放電は出す、充電はため直す」と、動詞でとらえると迷いません。

一次電池に充電してはいけないのはなぜですか

結論は、一次電池は反応をもどせないように作られていて、無理に充電すると危険だからです。
充電を想定していない電池に電気を流すと、中でガスが発生し、液もれや破裂につながるおそれがあります。
見た目が似ていても、充電式の乾電池とアルカリ乾電池は別物です。
電池の表示に「充電式」と書かれているかどうかを確認し、充電器の対応表示とも合わせて確かめてから使いましょう。
ですから、一次電池は使い切ったら、新しい電池に交換するのが正しい使い方です。

容量の計算で答えが合わないときは、どこを見直しますか

まず見直したいのは、単位がそろっているかどうかです。
容量がAhで電流がmAのように混ざっていると、答えが千倍ずれてしまいます。
次に、式の形を確かめます。時間は「容量÷電流」で、かけ算ではありません。
それでも合わないときは、問題文が「使える時間」なのか「充電にかかる時間」なのかを読み返してください。
どちらも同じ式で解けますが、実際の充電では損失があるため、少し長くなる点も覚えておきましょう。
落ち着いて一つずつ確認すれば、ほとんどの計算まちがいは自分で見つけられますよ。

おわりに

充電と放電は、同じ電池の中で、反応の向きが逆になっているだけの出来事でした。
放電は電気を取り出すこと、充電は外から電気を流して反応を逆向きにもどすこと。
そして、使える時間は容量を電流でわって求めること。
この三つを言えれば、テストの基本問題は大丈夫です。
毎日使っているスマホの電池も、熱とふくらみに気をつけて使えば、長く安全に使えますよ。
最後まで読んでくださって、ありがとうございました。

ご視聴ありがとうございました。
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