テレビの リモコンの でんちは、なくなると すてます。スマホの でんちは、コンセントに つなげば また つかえます。どちらも「でんち」なのに、どうして ちがうのでしょう。

ひみつは、でんちの 中で おきる へんかに あります。つかいきりの でんちは、一どつかうと、つかう まえの じょうたいへは もどせません［1］。つなげて つかえる でんちは、つかった あとに、もとの じょうたいへ もどす ことが できます［1］。

たとえば、ボールを 坂の 上から ころがすのが「つかう」こと。「じゅうでん」は、その ボールを 坂の 上へ もどす ことに にて います。ただし ほんとうは、でんきを ただ「ためる」のでは なく、中の ぶっしつを もとの じょうたいへ もどす、と せつめいされます［1］。

電池には、使い切りのものと、充電して使い直せるものがあります。前者を一次電池、後者を二次電池（充電池・蓄電池）といいます。一次電池は、一度放電すると、充電して再び使うことができない電池です［1］。二次電池は、充電と放電の「可逆性」、つまり使ったあとにもとの状態へ戻せる性質をもつ蓄電池です［1］。

ここで注意したいのは、充電を「電気をためる」とだけ考えると、半分しか説明できないことです。放電で変わった中の物質を、充電でもとの状態へ戻している、と説明されます［1］。ボールを坂の上から転がすのが使うこと、坂の上へ運び戻すのが充電、というイメージです。ただし本当の電池の中では、ボールではなく物質とイオンが動いています。

では、この「戻れる」電池は、いつ生まれたのでしょうか。

電池は、使い切りの一次電池と、充電して使い直せる二次電池（充電池・蓄電池）に大きく分けられる。一次電池は、一度放電すると充電して再び使うことができない電池だ［1］。二次電池は、充電・放電の可逆性をもつ蓄電池である［1］。分かれ目は電池に使う金属などの材料の種類ではなく、放電で起きた変化をもとへ戻せるかどうかにある。

「電気をためる容器」という理解では足りない点にも注意したい。放電で変化した物質を、充電でもとの状態に戻している、と説明される［1］。充電のときは、放電のときと電流の向きが逆になるといわれる。では、この「戻れる」電池はいつ、どのように生まれたのか。

さいしょの でんちを つくったのは、ボルタと いう 人です。1800ねんごろの ことで、どうと あえんを、うすい さんの えきに いれた ものでした［2］。これは、つかいきりの でんちでした。

つなげて つかえる でんちは、1859ねん、フランスの プランテが つくった「なまりちくでんち」が さいしょと されて います［3］。1800ねんごろから 1859ねんまで、ほぼ 60ねんです。

つぎの 章で わかる とおり、プランテの でんちには 「もどれる へんか」が ありました。

ボルタの電池は使い切りだった

ボルタは1800年ごろ、希硫酸の液に銅の正極と亜鉛の負極を入れた電池を発明しました。これが最初の一次電池、つまり使い切りの電池とされます［2］。

充電できる電池は1859年

充電と放電を繰り返せる二次電池は、1859年にフランスのプランテが発明した鉛蓄電池が最初とされます［3］。ボルタの電池が1800年ごろ、鉛蓄電池が1859年なので、約60年、電池は「使ったら終わり」の道具だったことになります。ただし、どちらも「とされる」という書き方の資料なので、この年数は目安として読んでください。

では、プランテの電池の中では、ボルタの電池とちがう何が起きていたのでしょうか。

ボルタは1800年ごろ、希硫酸の溶液に銅を正極、亜鉛を負極として入れた電池を発明した。これが最初の一次電池、すなわち使い切りの電池とされる［2］。

ところが、充放電を繰り返せる二次電池が現れるのは、1859年にフランスのプランテが発明した鉛蓄電池が最初だとされる［3］。ボルタの電池が1800年ごろ、鉛蓄電池が1859年なので、約60年、電池は使い切りが前提の道具だったことになる。ただし二つの年号はどちらも「とされる」という位置づけの資料にもとづくので、この年数は目安として読む。では、プランテの電池の中では、ボルタの電池とちがう何が起きていたのか。

プランテの でんちは、プラスの 板と マイナスの 板を もって います。つかうと、その 二まいの 板が、どちらも「りゅうさんなまり」と いう ぶっしつに かわります［3］。

そして じゅうでんを すると、ぎゃくの へんかが おきて、もとの ぶっしつへ もどります［3］。いって、もどって こられる ので、なんども つかえるのです。

この でんちは、じどうしゃの エンジンを かける ための でんちとして、いまも ひろく つかわれて います［3］。160ねん いじょう まえの しくみが、いまも 町を はしる 車の 中に あります。

鉛蓄電池は、放電すると、正極と負極の物質がどちらも硫酸鉛に変わります。充電すると、その逆の反応が起きて、もとの物質に戻ります［3］。

ここが、使い切りの電池とのちがいです。使ったあとにも、もとへ戻る道が残っています。ボールの例でいえば、坂を転がったボールを、坂の上へ運び戻せる状態です。

鉛蓄電池は、自動車のエンジンを始動させる用途などで、いまも広く使われています［3］。1859年の発明から160年以上、この電池が使われ続けていることになります。

では、スマホやパソコンの電池はどうでしょうか。リチウムイオン電池では、「戻る」のしかたが、さらにすっきりしています。

鉛蓄電池は、放電すると正極・負極の活物質がどちらも硫酸鉛に変わり、充電すると逆の反応でもとに戻る［3］。放電の行き先の物質が決まっていて、そこから戻る反応の道もある、という性質が、使い切りの電池と分かれるところだ。自動車のエンジン始動用などに、いまも広く使われている［3］。1859年の発明から160年以上、同じ種類の電池が現役というのは、「戻れる」反応のもつ強みを示す一例といえる。

なお反応式は検索抜粋の要約なので、ここには載せない。では、スマホやパソコンの電池はどうなのか。リチウムイオン電池では、「戻れる」しくみがさらに別の形をとる。

スマホの でんちは、「リチウムイオン でんち」です。この でんちの よいところは、中の 板を こわす へんかでは なく、リチウムの イオンが 二まいの 板の あいだを いったり きたり する ことに あると、ノーベルしょうを きめる 学会が せつめいして います［4］。

学校の きょうしつと こうてい を おもいうかべて ください。じゅうでんが おわった ときは、イオンが マイナスの 板がわに たまって います。つかうと、イオンは プラスの 板がわへ うつります。じゅうでんすると、また もどります［5］。

ただし イオンは 目に 見えません。人の ように あるくわけでは なく、板の すきまに 入ったり 出たり します。

リチウムは、金ぞくの 中で いちばん かるいと いわれます。かるくて、たかい 力が 出せるので、もちはこぶ きかいに むいて います［5］。

電極を壊す反応に頼らない電池

ノーベル化学賞2019の解説で、スウェーデン王立科学アカデミーは、リチウムイオン電池の利点を、電極を壊す化学反応ではなく、リチウムイオンが負極と正極のあいだを行ったり来たりすることにもとづく点だと述べています［4］。鉛蓄電池では物質が硫酸鉛に変わりましたが、こちらは動くのがイオンで、イオンが電極材料のあいだを行き来します。

充電のときと使うときで、向きが逆になる

充電が終わった状態では、リチウムイオンは負極側にたまっています。放電すると、イオンが正極側へ移って、電気エネルギーを取り出せます。充電では電流が逆向きに流れ、正極から電子とリチウムイオンが出ていきます［5］。教室と校庭を行き来するように、イオンが往復していると考えるとイメージしやすくなります。ただし、イオンは目に見えず、電極の物質のすきまに出入りしています。

なぜリチウムなのか

リチウムは金属の中で最も軽く、イオン化傾向が大きいため、小型軽量で高い電圧が得られます［5］。持ち歩く機器に向く理由のひとつといえそうです。

では、イオンが出入りできる電極は、どうやって見つけられたのでしょうか。

ノーベル化学賞2019の解説で、スウェーデン王立科学アカデミーは、リチウムイオン電池の利点を、電極を壊す化学反応ではなく、リチウムイオンが負極と正極のあいだを行き来することにもとづく点だと述べた［4］。鉛蓄電池が活物質そのものを硫酸鉛へ変えて戻すのに対し、こちらは動くのがイオンで、電極材料のあいだを行き来する。

向きを整理する。充電が終わった状態ではリチウムイオンは負極側にたまり、放電するとイオンが正極側へ移って、電気エネルギーを取り出せる。充電では電流が逆向きに流れ、正極から電子とリチウムイオンが出ていく［5］。つまり充電では、イオンは正極から負極へ戻る。ここを逆に覚えやすいので注意したい。

リチウムが選ばれた理由として、金属の中で最も軽く、イオン化傾向が大きいために、小型軽量で高い電圧が得られることが挙げられる［5］。ただし、往復が成り立つには、イオンが出入りできる電極が要る。その電極づくりの経緯が、次の章である。

1970ねんだいに、ウィッティンガムは、リチウムイオンが 入れる すきまの ある ざいりょうを つかって、力の つよい でんちを つくりました。でも、マイナスの 板に 金ぞくの リチウムを つかって いたので、ばくはつ しやすく、ふつうには つかえませんでした［4］。

1980ねんには、グッドイナフが、コバルトを ふくむ ざいりょうで、4ボルトまで 出せる ことを しめしました［4］。

そして 1985ねん、よしの あきらさんが、マイナスの 板に たんその ざいりょうを つかい、リチウムイオン でんちの きほんの かたちを かんせいさせました［6］。この でんちは、せいのうが おちるまでに、なんびゃっかいも じゅうでんできました［4］。

1991ねんには ソニーが しょうひんに しました［6］。1859ねんの なまりちくでんちから、1985ねんまで 126ねんです。

1970年代 ── 力は強いが、使えない電池

ウィッティンガムは1970年代に、二硫化チタンを正極に使い、リチウムイオンを取りこめるすきまのある、高エネルギーの電池をつくりました。ところが負極が金属リチウムで、爆発しやすく、実用には向きませんでした［4］。

1980年代 ── 高い電圧と、炭素の負極

グッドイナフは1980年、リチウムイオンを含むコバルト酸化物が最大4ボルトを出せることを示しました［4］。そして1985年、吉野彰は、正極にコバルト酸リチウムを使い、負極をポリアセチレンから炭素材料へ切りかえて、リチウムイオン電池の基本構造を完成させました［6］。ノーベル委員会は、石油コークスという炭素材料を負極に使った、実用になる最初の電池だと述べています［4］。

何百回も充電できた

吉野の電池は、性能が落ちるまでに何百回も充電できたと、ノーベル委員会は述べています［4］。商品化は1991年にソニーが、1992年以降には旭化成と東芝の合弁会社でも進みました［6］。1859年の鉛蓄電池から1985年の基本構造まで、126年かかったことになります。

リチウムイオンの往復という考え方は、まず1970年代のウィッティンガムの電池に現れる。正極に二硫化チタンを使い、リチウムイオンを取りこめるすきま（インターカレーション）をもつ高エネルギーの電池だった。ところが負極が金属リチウムで、爆発しやすく、実用には向かなかった［4］。

そこで1980年、グッドイナフは、リチウムイオンを含むコバルト酸化物が最大4ボルトを出せることを示した［4］。残る課題は、爆発しやすい金属リチウムの負極だった。1985年、吉野彰は正極にコバルト酸リチウムを使い、負極をポリアセチレンから炭素材料へ切りかえて、リチウムイオン電池の基本構造を完成させた［6］。ノーベル委員会は、石油コークスという炭素材料を負極に使った、実用になる最初の電池だったと述べる［4］。

吉野の電池は、性能が落ちるまでに何百回も充電できた［4］。商品化は1991年にソニーが先に行い、1992年以降は旭化成と東芝の合弁会社でも進んだ［6］。1859年の鉛蓄電池から1985年の基本構造まで、1985−1859＝126年。「戻れる」電池を、軽く何度も使えるものに仕上げるには、これだけの時間と、3人の研究の積み重ねが要った。

ほかの じゅうでんちは、つかいきらないで また じゅうでんすると、でんあつが さがる ことが あり、「メモリーこうか」と よばれます。よしのさんは、リチウムイオン でんちでは その えいきょうは ほとんど ないと はなして います［7］。

それでも、ずっと つかえる わけでは ありません。でんちの 0%まで つかい、100%まで じゅうでんする ことを くりかえすと、いたみやすい と いわれます［5］。あつい 日の 車の 中に おきっぱなしに するのも、あぶないと、さかいしの しょうぼうきょくは ちゅうい しています［8］。

吉野彰は、他の二次電池で問題になった「メモリー効果」（使い切らずに再充電すると電圧が下がる）が、リチウムイオン電池ではほぼないと述べています［7］。インタビューでの発言です。

ただし、劣化がないわけではありません。0%まで使い、100%まで充電する使い方を繰り返すと、劣化するといわれます［5］。高温の車内に放置するなどの扱いは、発熱や発火のおそれがあると、堺市消防局が注意しています［8］。

「戻れる」電池でも、使い方によって寿命が変わる、ということです。

吉野彰は、他の二次電池で問題になった「メモリー効果」（使い切らずに再充電すると、次から電圧が下がる）が、リチウムイオン電池ではほぼないと述べている［7］。これはインタビューでの発言である。

一方、劣化がなくなるわけではない。使い方によっても劣化は進むといわれる［5］。高温の車内に放置すると発熱・発火のおそれがあるため、堺市消防局は注意を呼びかけている［8］。「戻れる」反応をもつ電池でも、使い方で寿命が変わる、という点が押さえどころだ。

おうちの 人に きいて、リモコンの でんちや、スマホ、ゲーム きなどを あつめて みましょう。でんちや ほんたいの ラベル、せつめいしょに「じゅうでんしき」などの ことばが あるか さがします。

見つけたら、「つかいきり」と「じゅうでん できる」に わけて みます。リモコンの でんちは どちらでしょう。

でんちを ぶんかい したり、水に ぬらしたり しては いけません。つかいきりの でんちは、じゅうでんしないで ください。

さいごに、ひとつ。この メモでは、なまりちくでんちと リチウムイオン でんちしか みて いません。ほかの じゅうでんちは、どんな ふうに もどる のでしょう。

家にある電池を集めてみましょう。リモコン用の電池、スマホやゲーム機などの本体です。電池や本体のラベル、説明書に、「充電式」などの表示があるかを探します。

見つかったら、使い切りのものと、充電できるものに分けます。リモコンの電池はどちらに入るでしょうか。

電池を分解したり、水にぬらしたりしてはいけません。使い切りの電池は、充電しないでください。

このメモで見たのは、鉛蓄電池とリチウムイオン電池だけです。ほかの充電池が、どんなふうに「戻る」のかは、次の問いとして残っています。吉野彰の研究の歩みは、旭化成の特設サイト［6］で日本語で読めます。

手もとの電池を使って、見分けを試せる。リモコン用などの電池、スマホやゲーム機などの本体を集め、ラベルや説明書に「充電式」などの表示があるかを調べ、使い切りと充電できるものに分ける。電池を分解したり、水にぬらしたりしない。使い切りの電池は充電しない。

このメモで扱った二次電池は、鉛蓄電池とリチウムイオン電池だけで、ほかの充電池の仕組みは扱っていない。それらが同じ「戻れる」考え方で説明できるのかは、さらに調べる価値のある問いだ。日本語で読める資料としては、吉野彰の研究の歩みを旭化成の特設サイト［6］、リチウムイオン電池の仕組みと使い方をソフトバンクニュース［5］が載せている。ノーベル委員会の解説は英語で、スウェーデン王立科学アカデミーのページ［4］にある。