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アルカリ電池（IECコード：L）は、電解液（最も一般的なのは水酸化カリウム）のpH値が7を超える一次電池の一種です。これらの電池は通常、亜鉛金属と二酸化マンガンの反応からエネルギーを得ます。
亜鉛炭素電池と比較して、アルカリ電池はエネルギー密度が高く、保存期間も長く、しかも同じ電圧を供給できる。
アルカリ電池は、亜鉛炭素電池の酸性電解質である塩化アンモニウム（NH₄Cl ）や塩化亜鉛（ZnCl₂ ）の代わりに、アルカリ性の電解質である水酸化カリウム（KOH）を使用していることからその名が付けられました。他の電池システムもアルカリ性電解質を使用していますが、電極に用いる活物質は異なります。
2011年現在、アルカリ電池は、米国で製造された電池の 80% を占め、世界中で 100 億個以上が生産されています。日本では、アルカリ電池は一次電池販売全体の 46% を占めています。スイスではアルカリ電池が 68%、英国では 60%、EU では二次電池を含む電池販売全体の 47% を占めています。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
アルカリ電池には亜鉛（Zn）と二酸化マンガン（MnO 2）が含まれており、これらは蓄積性の神経毒であり、高濃度では毒性を示す可能性があります。しかし、他の種類の電池と比較すると、アルカリ電池の毒性は中程度です。[ 6 ]
アルカリ電池は、携帯型メディアプレーヤー、デジタルカメラ、おもちゃ、懐中電灯、ラジオなど、多くの家庭用品に使用されています。
アルカリ（酸性ではない）電解質を用いた電池は、 1899 年にヴァルデマール・ユングナーによって初めて開発され、 1901 年にトーマス・エジソンが独自に開発しました。亜鉛/二酸化マンガン化学を用いた現代のアルカリ乾電池は、 1950 年代にカナダのエンジニア、ルイス・アリーによって発明されました。彼は、オハイオ州クリーブランドにあるユニオン・カーバイドのエバレディ電池部門で働き始める前に、エジソンの以前の研究に基づいて開発しました。[ 7 ] [ 8 ] 1957 年 10 月 9 日、アリー、カール・コルデシュ、PA マーサルはアルカリ電池の米国特許（2,960,558）を出願しました。この特許は 1960 年に付与され、ユニオン・カーバイド社に譲渡されました。[ 9 ]
1960年代後半にアルカリ電池が導入されたとき、その亜鉛電極（当時普及していた炭素亜鉛電池と同様）の表面には水銀アマルガムの膜がありました。その目的は、亜鉛中の不純物に対する電解作用を制御することでした。望ましくない電解作用は、保存期間を短縮し、漏洩を促進するからです。さまざまな法律によって水銀含有量の削減が義務付けられると、亜鉛の純度と均一性を大幅に改善する必要が生じました。[ 10 ]
アルカリ電池では、負極は亜鉛、正極は二酸化マンガン（MnO₂ ）です。水酸化カリウム（KOH）のアルカリ電解質は、電極で起こる2つの半反応で消費されるOH⁻アニオンの量と生成される量が等しいため、反応中に消費されません。放電中に消費されるのは亜鉛とMnO₂のみです。形式酸化状態の観点から見ると、電池の放電によって亜鉛は酸化状態0（金属）から+2に、マンガンは酸化状態+4から+3に変化します。
2つの半反応は以下のとおりです。
全体の反応（陽極反応と陰極反応の合計）は次のとおりです。
アルカリ電池の容量は負荷に大きく依存します。AAサイズのアルカリ電池の有効容量は低消費電力時で3000mAh 、負荷時デジタルカメラで一般的な1アンペアの 容量は、700 mAh。[ 12 ]バッテリーの電圧は使用中に徐々に低下するため、使用可能な総容量はアプリケーションのカットオフ電圧に依存します。
メーカー規格で定められた新品アルカリ電池の公称電圧は1.5 V。新品のアルカリ電池の実際の無負荷電圧は、 使用される二酸化マンガンの純度と電解液中の酸化亜鉛の含有量によって、1.50～1.65Vとなる。負荷に供給される電圧は、流れる電流が増加するにつれて、またセルが放電するにつれて低下する。電圧が約1.50～1.65Vまで低下すると、セルは完全に放電したとみなされる。0.9 V。[ 13 ]直列接続されたセルは、各セルの電圧の合計に等しい電圧を生成します（たとえば、3つのセルは 新品のときに約4.5 Vを生成します）。
アルカリ電池が供給できる電流の量は、その物理的なサイズにほぼ比例します。これは、電池の内部表面積が増加するにつれて内部抵抗が減少するためです。経験則として、単3形アルカリ電池は、700mAの 電流を供給しても、発熱はほとんどありません。C型やD型などの大型電池は、より大きな電流を供給できます。強力なポータブルオーディオ機器など、数アンペアの電流を必要とする用途では、負荷の増加に対応するためにD型サイズの電池が必要です。
アルカリ電池は、亜鉛炭素電池と互換性のある標準的な円筒形と、ボタン型で製造されています。複数のセルを相互接続して、9ボルトのPP3サイズ電池のような真の「電池」を形成することもできます。
円筒形のセルは、陰極接続部となる引き抜き加工されたステンレス鋼製の缶に収められています。正極混合物は、導電性を高めるために炭素粉末を添加した二酸化マンガンの圧縮ペーストです。ペーストは缶に押し込むか、あらかじめ成形されたリングとして堆積させることができます。陰極の空洞の中心にはセパレータが裏打ちされており、電極材料の接触やセルの短絡を防ぎます。セパレータはセルロースまたは合成ポリマーの不織布層でできています。セパレータはイオンを伝導し、高アルカリ性の電解液中で安定している必要があります。[ 16 ]
負極は、水酸化カリウム電解液を含むゲル中に亜鉛粉末を分散させたもので構成されています。亜鉛粉末は、金属缶に比べて化学反応が起こる表面積が大きくなります。これにより、電池の内部抵抗が低下します。電池の寿命末期にガスが発生するのを防ぐため、すべての亜鉛と反応するのに必要な量よりも多くの二酸化マンガンが使用されます。また、漏れ抵抗を高めるために、通常はプラスチック製のガスケットが追加されます。[ 17 ]
セルはアルミホイル、プラスチックフィルム、またはまれに段ボールで包まれ、これが漏れ防止の最終層として機能するとともに、ロゴやラベルを印刷できる表面を提供する。[ 18 ]
AAA、AA、C、サブC、Dサイズの電池を説明する際、負極は平らな端に接続され、正極は突起のある端になります。ボタン電池では通常これが逆になり、平らな円筒形の端が正極になります。
アルカリ電池の中には、数回充電できるように設計されているものがあり、充電式アルカリ電池と呼ばれています。標準のアルカリ電池を充電しようとすると、破裂したり、機器を腐食させる危険な液体が漏れたりする可能性があります。しかし、標準のアルカリ電池は、充電するたびに容量が低下するものの、数回（通常は10回以下）充電できることが多いと報告されています。充電器は市販されています。英国の消費者団体Which?は、 Energizerのアルカリ電池でそのような充電器2つをテストしたところ、2回充電した後、電池の容量は平均で元の値の10%まで低下し、大きなばらつきがあったと報告しています（充電前の電池の消耗度については言及していません）。[ 19 ]
2017年、Gautam G. Yadavは、銅イオンを層間に挟み込んだアルカリ電池は、二酸化マンガンの理論的な第二電子容量により6,000サイクル以上充電可能であることを報告する論文を発表した。[ 20 ] [ 21 ]銅を層間に挟み込んだ二酸化マンガンを用いたこれらの充電式電池のエネルギー密度は、6,000サイクル以上であると報告されている。160 Wh/L 、水系化学の中で最高値。[ 21 ]リチウムイオン電池に匹敵するエネルギー密度（少なくとも 電池内の亜鉛利用率が改善されれば、250 Wh/Lになるだろう。 [ 20 ]
アルカリ電池は、呼吸器、目、皮膚に刺激を与える腐食性物質である水酸化カリウムが漏れやすい性質があります。 [注1 ]このリスクは、電池を乾燥した場所に室温で保管することで軽減できます。機器を保管する際に電池を取り外すことで、液漏れによる損傷を軽減できます。逆電流を流す（使い捨て電池を充電したり、異なる種類や充電状態の電池を同じ機器に混ぜて使用したりするなど）と、液漏れのリスクが高まります。
すべての電池は（機器に装着されているか否かにかかわらず）徐々に自己放電し、消耗した電池は最終的に液漏れを起こします。また、極端に高い温度（例えば、夏の車内など）は電池の破裂や液漏れの原因となるだけでなく、電池の保存期間を短縮させる可能性もあります。
漏洩の原因は、バッテリーが使用または徐々に自己放電することで放電するにつれて、セルの化学組成が変化し、水素ガスが発生するためです。このガス放出によりバッテリー内部の圧力が上昇します。最終的に、過剰な圧力によってバッテリー端部の絶縁シール、外側の金属ケース、またはその両方が破裂します。さらに、バッテリーの経年劣化に伴い、鋼鉄製の外側ケースが徐々に腐食または錆びることがあり、これが漏洩防止機能の破損をさらに悪化させる可能性があります。
外側の鋼製シェルが腐食して漏れが発生すると、水酸化カリウムが空気中の二酸化炭素を吸収し、羽毛状の炭酸カリウムの結晶構造を形成します。この結晶構造は時間とともにバッテリーから広がり、金属電極に沿って回路基板へと達し、そこで銅配線やその他の部品の酸化を開始し、回路に永久的な損傷を与えます。
漏れ出した結晶状の物質は、バッテリーカバー周辺の継ぎ目から発生し、機器の外側に毛羽立ったコーティングを形成することもあり、漏れている機器に接触するあらゆる物体を腐食させる。
1996年以前に製造されたアルカリ電池には水銀が含まれている可能性があり、有害廃棄物とみなされています。水銀は含まれなくなりましたが、アルカリ電池には依然として他の重金属や腐食性化学物質が含まれており、埋立地で問題を引き起こす可能性があります。[ 22 ] [ 23 ]電池は火災や爆発を引き起こす可能性があり、清掃作業員の安全を脅かす可能性があります。埋立地にある電池は、有毒化学物質を土壌や水に浸出させる可能性があります。リサイクルはまた、電池やその他の製品に必要な新しい材料とエネルギーの量を減らし、採掘やその他の生産による環境へのダメージを軽減します。[ 24 ]
廃棄方法は管轄区域によって異なります。たとえば、カリフォルニア州では、廃棄されるすべての電池を有害廃棄物とみなしており、家庭ごみとして電池を廃棄することを禁止しています。 [ 25 ]ヨーロッパでは、電池の廃棄はWEEE指令および電池指令の規則によって管理されており、アルカリ電池は家庭ごみと一緒に捨ててはいけません。EUでは、電池を販売するほとんどの店舗は、リサイクルのために古い電池を受け入れることが法律で義務付けられています。
使い捨て電池市場は毎年 5.5% の割合で成長しています。[ 26 ]以前は使用済み電池は埋立地に捨てられていましたが、2004 年に EU の規制によりアルカリ電池の埋立地への廃棄が禁止されました。[ 27 ] 2006 年に EU は、2016 年までにすべての電池の 45% をリサイクルすることを約束しました。[ 28 ] 2023 年に、新しい規制により、2027 年までに 63%、2036 年までに 73% という目標が設定されました。[ 29 ]米国環境保護庁は、アルカリ電池を電池リサイクル業者または地域の廃棄物処理施設でリサイクルすることを推奨しています。[ 30 ]
米国では、カリフォルニア州のみがアルカリ電池のリサイクルを義務付けています。ただし、バーモント州では州全体でアルカリ電池の回収プログラムを実施しています。[ 31 ] Batteries Plus、Home Depot、Staples、[ 24 ]およびIKEA [ 32 ]など、多くの小売店が電池のリサイクルを受け付けています。ただし、Best Buyのように電池のリサイクルを宣伝している店舗の中には、充電式電池のみを受け付けており、アルカリ電池は受け付けていないところもあります。電池をリサイクル業者に送るための電池リサイクルキットを購入することも可能です。[ 32 ] Call2Recycle、Greener Gadgets、 Earth911 、Green Citizenなどのリサイクルデータベースの Web サイトには、電池をリサイクルできる場所が掲載されています。[ 24 ]
リサイクルされる際、粉砕されたアルカリ電池から金属は機械的に分離され、廃棄物の黒い塊は化学的に処理されて亜鉛、二酸化マンガン、水酸化カリウムが分離される。[ 33 ]