電池はなぜ電気を出せる？乾電池・リチウムイオン電池の仕組みを化学反応で理解する

リモコン、懐中電灯、スマホ、ワイヤレスイヤホン、電気自動車——。私たちの生活は、「電池」なしには成り立ちません。

でも、考えてみると不思議ですよね。コンセントにつないでいないのに電気が出てくる。あの小さな筒の中に、一体何が入っているのでしょうか？

「電気が詰まっている」と思っている方も多いかもしれませんが、実は違います。

この記事では、乾電池からスマホのリチウムイオン電池まで、電池が電気を出せる「本当の理由」をやさしく解説します。化学の知識は不要です。たとえ話と図で理解できるようにしていますので、安心して読み進めてください。

そもそも電池とは何か？｜「化学反応で電子を押し出すポンプ」

電池の中に「電気」は入っていない

多くの人が「電池 = 電気が入っている容器」とイメージしがちですが、これは誤解です。

電池の中に入っているのは「化学物質」——つまり、特定の金属や液体（電解液）です。これらの化学物質が反応することで、電子（電気の正体）が移動し、電流が流れるのです。

わかりやすく言えば、電池は「化学反応という燃料を使って、電子を押し出すポンプ」のようなものです。

電池の3つの部品｜プラス極・マイナス極・電解液

すべての電池は、基本的に3つの部品で構成されています。

マイナス極で電子が「生まれ」、導線（外部回路）を通ってプラス極に「到着」する。この電子の流れが電流です。電池の内部では、電解液を通じてイオンが移動することで回路が完成します。

乾電池の仕組み｜「2種類の金属」が電子を押し出す

電池の発明は「カエルの足がピクッと動いた」ことから始まった

電池の歴史は、18世紀のイタリアにさかのぼります。

解剖学者のガルバーニがカエルの足に2種類の金属を当てたところ、足がピクッと動きました。これを「動物電気」と考えたガルバーニに対して、物理学者のボルタは「金属の組み合わせが電気を生んでいる」と反論。そして1800年、亜鉛と銅の板を食塩水に浸した紙で挟んで積み重ねた「ボルタの電堆（でんたい）」——世界初の電池を発明しました。

電圧の単位「ボルト（V）」は、このボルタの名前に由来しています。

乾電池の中身｜亜鉛・二酸化マンガン・電解液

現在もっとも身近な乾電池（アルカリ乾電池）の中身を見てみましょう。

電気が生まれる仕組み｜「電子を手放したがる金属」と「電子が欲しい物質」

ここが一番大事なポイントです。難しい化学式は使いませんので、たとえ話で理解しましょう。

学校で、お菓子を大量に持っている子（亜鉛）と、お菓子が足りなくて欲しがっている子（二酸化マンガン）がいるとします。

この「電子を手放す（酸化）」と「電子を受け取る（還元）」がセットで起きる反応を、「酸化還元反応」と呼びます。電池の電気は、この酸化還元反応から生まれているのです。

なぜ電池は「空」になる？｜一次電池と二次電池の違い

乾電池が空になる理由｜化学物質が「使い切られる」から

乾電池を使い続けると、いつか電気が出なくなりますよね。これは、マイナス極の亜鉛が化学反応ですべて別の物質に変わってしまうからです。

たとえるなら、ろうそくと同じです。ろうそくはロウ（燃料）を燃やして光を出しますが、ロウがなくなれば火は消えます。乾電池も、亜鉛という「化学的な燃料」が反応し尽くしたら、もう電子を出す力がなくなるのです。

リチウムイオン電池の仕組み｜「リチウムイオンの引っ越し」で充放電する

スマホの電池はどう動いている？

スマホ、ノートPC、電気自動車に使われているリチウムイオン電池は、世界で最も広く使われている二次電池です。2019年には、開発に貢献した吉野彰氏がノーベル化学賞を受賞しました。

リチウムイオン電池の仕組みを一言で言うと、「リチウムイオン（Li⁺）がプラス極とマイナス極の間を行ったり来たりする」ことで充電と放電を繰り返します。

リチウムイオン電池の名前は、この「リチウムイオンが行き来する」仕組みに由来しています。引っ越しのたとえで言えば、放電はリチウムイオンが「マイナス極の家からプラス極の家に引っ越す」こと。充電は「プラス極の家から元のマイナス極の家に帰る」ことです。

スマホのバッテリーはなぜ劣化する？｜熱と満充電が劣化を早める

充電と放電をくり返すと、リチウムイオンが出入りする電極が少しずつ傷みます。さらに電極の表面には「SEI膜」という薄い膜ができ、使ううちに少しずつ厚くなっていきます。膜が厚くなるほどイオンが通りにくくなり、ためられる電気の量（容量）が減っていきます。これがバッテリーの劣化の正体です。

劣化そのものはゼロにできませんが、進み方は使い方で変わります。電池の中の化学反応は、温度が高いほど速く進みます。劣化を進める反応も同じなので、いちばんの敵は「熱」です。

「充電しながら使うと劣化する」と言われるのは、充電そのものが悪いからではなく、熱が二重に出るからです。LINEを少し見る程度で本体が熱くならないなら、神経質になる必要はありません。

出典:Apple「バッテリーの駆動時間と耐用年数を最大限に延ばす」

電池の直列つなぎ・並列つなぎ｜電圧と容量はどう変わる？

直列つなぎ｜電圧が「足し算」になる

懐中電灯に乾電池を2本入れるとき、プラス極とマイナス極が交互になるように入れますよね。これが直列つなぎです。

直列につなぐと、電圧が足し算になります。1.5Vの乾電池を2本直列にすれば3V、3本なら4.5Vです。

たとえるなら、滝を重ねるようなものです。1段の滝の落差が1.5mなら、2段重ねれば落差3m。落差が大きいほど水の勢い（電圧）は上がりますが、流れる水の量（電流を流せる時間 = 容量）は変わりません。

並列つなぎ｜容量（持ち時間）が増える

並列つなぎは、プラス極同士、マイナス極同士を接続する方法です。

並列につないでも電圧は変わりません（1.5V + 1.5V = 1.5V）。その代わり、容量（電気を供給できる時間）が2倍になります。

たとえるなら、水の貯水タンクを2つ並べるようなものです。タンク1つの水位（電圧）は変わりませんが、使える水の総量（容量）は2倍になります。

電池の種類と特徴を一覧で整理

【保存版】身近な電池の比較表

マンガン電池とアルカリ電池の使い分け

上の表のとおり、マンガン乾電池とアルカリ乾電池は、どちらも1.5Vの一次電池です。形が同じなので入れ替えても使えますが、得意なことがちがいます。

迷ったらアルカリを選べば、たいていの機器で問題なく使えます。どちらの場合も、新しい電池と古い電池、種類のちがう電池を混ぜて使わないことと、使い終わった電池を入れっぱなしにしないことが、液漏れを防ぐ基本です。

単1・単3・単4の違いは「大きさ」と「ためられる量」

単1・単3・単4は、電池の大きさの名前です。中身（マンガン・アルカリなど）の名前ではありません。電圧はどれも1.5Vで同じで、ちがうのは大きさと、ためられる電気の量（容量）です。大きい電池ほど、同じ電流でも長く使えます。

寸法はメーカーの仕様に書かれている値（アルカリ乾電池）です。単3を単1の大きさにする「電池スペーサー」もありますが、中身は単3のままなので、使える時間は単3のぶんだけです。

電池の容量の単位「mAh」と「Wh」

スマホやモバイルバッテリーの容量は「mAh（ミリアンペアアワー）」で書かれています。mAhは流せる電流×時間で、10000mAhなら「1000mAの電流を10時間流せる量」という意味です。

ただし、mAhだけでは電池のエネルギーの大きさは決まりません。エネルギーは電圧もかけたWh（ワットアワー）で表します。リチウムイオン電池1本の電圧は約3.7Vなので、次の式で換算できます。

モバイルバッテリーの中の電池は約3.7Vですが、USBで送り出すときは5Vなどに電圧を上げます。その変換で一部が熱になるので、表示のmAhのぶんがそのままスマホに入るわけではありません。メーカーが「スマホ約2回分」のように回数で書いている場合は、その目減りを見込んだ目安です。飛行機に持ち込めるかどうかもWhで決まるので、容量はWhでも確かめておくと安心です。WとWhの考え方は、WとWhの違いの記事でくわしく説明しています。

まとめ｜電池が電気を出せる理由はたった1つ

電池が電気を出せる理由を一言でまとめると——

電子を手放したがる物質と、電子が欲しい物質を組み合わせて、電子が「外の導線」を通って移動するように仕向ける。この巧みな設計が、電池という発明の核心です。

そしてこの「電子の流れ」を制御し、計算し、活用するのが電気工学の世界です。電池の仕組みを理解できた今、あなたは電気を学ぶための最初の一歩をすでに踏み出しています。