乾電池の材料として知られるマンガン 

「マンガン」と聞くと、マンガン電池マンガン団塊が頭に浮かぶ人が多いと思います。また、「二酸化マンガン」という小学校でならった言葉を覚えている方も多いでしょう。

マンガンはMnと表記される、原子番号25の元素で、単体では比重7.2程度(鉄鋼は約7.8)ですが、単体では産出せず、鉄鉱石などから採取されます。

「マンガン団塊」という言葉を聞かれると思いますが、これは、1980年にイギリスの調査船が海底でマンガン、鉄、クロムなどを多量に含む球体を発見したものに名付けられたものですが、記事の最後にも簡単に紹介しています。

小中学校で、二酸化マンガンの黒い粉を触媒として過酸化水素水をかけると酸素ガスを発生させる実験や、理科の時間に乾電池を作った経験がある方も多いと思いますが、元素単体よりも、それらによって、比較的馴染みのある元素かもしれません。

このマンガンは、鉄鋼の焼入れ性を高める元素として重要です。多くの鉄鋼は、マンガンが0.3~0.5(重量%)程度をふくむ鋼種が多く、ほとんどの焼入れして硬化する鋼種には1%程度以下のマンガンを加えるのですが、少し特殊なものでは、ハイマンガン鋳鋼というものがあります。

これは、パワーショベルの先端などに溶接されるのですが、掘削時には非常な耐摩耗性を発揮します。全体的には柔らかいのに切削加工ができないし、変形すると非常に硬くなるという、特殊な性質の鋳鋼です。

地殻中に含まれる量も多く、そのために、卵やナッツ類にお起き含まれていて、人体にも取り込まれて、成人で10-20mg程度含まれているようで、体の機能を支えていますから、多くても少なくても体の機能に影響しますが、通常の食生活では問題がお切子とはないと考えていいでしょう。

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マンガン電池とアルカリ電池

マンガン電池

これらの電池にはどちらも、プラス極に「二酸化マンガン」マイナス極に「亜鉛」を使っている、非常にポピュラーな電池で、電解液が異なるので、このように呼び方が異なっています

マンガン電池の電解液は塩化亜鉛や塩化アンモニウムですが、アルカリ電池は、強アルカリの水酸化カリウムが使われています。

注意しないといけない液漏れ

乾電池の液漏れは、使用してから長期間放置している場合に起こりやすいのですが、その原因は、電池内部で電気分解の際に生じたガスが膨張して電解液が漏れ出すということが多いようです。

 

乾電池の液漏れに対しては、近年の製品はかなり改善されています。しかし、いずれの場合も、使わないで、器具に取り付けたまま長期間放置しないようにしましょう。

また、特に、アルカリ電池の液漏れ品は器具を傷めるばかりでなく、アルカリ液は危険ですので、直ちに電池を交換するようにして、器具に液漏れ乾電池をつけたままにしないように気を付けましょう。

 

マンガン電池・アルカリ電池のいずれについても、大電流で使用すると、内部でガスが発生して液漏れしやすくなるので、ショートさせるなどで大電流を流すのはよくありません。

そして、液漏れによって器具本体が損傷しないように、定期的にチェックして、接点部に異常があればすぐに交換するようにしましょう。

 

どちらにも長短所が・・・

アルカリ電池は「強くて長持ち」ですし、使用中の電圧降下が少ないということから、近年はマンガン電池よりもアルカリ電池が主流になりました。

しかし、アルカリ電池は、使わなくても自己放電と水素ガスが発生するのが欠点で、思ったほど寿命が延びないというケースも出てきます。使わなくて長期間たったものの性能は低下している場合があることを知っておくといいでしょう。

 

それに対して、マンガン電池は、いったん使って、そのまま休めると電圧が回復するという特徴があります。

これは大きな特徴です。

このために、用途で使い分けるとよく、大電力品はアルカリ乾電池、小電力品や間欠で使用するものはマンガン乾電池というように、使い分けることも大切で、何か、マンガン電池よりもアルカリ電池がすぐれているというイメージが強いのですが、この特徴は覚えておくといいでしょう。

 

安価なアルカリ電池が販売されています。しばしば、一流メーカー品と100円ショップの電池の優劣(寿命やパワー)などについての議論を聞くこともありますが、私自身はもっぱら100均派です。

極限を求めるならば、高級なものを使用すればいいですが、音楽プレーヤーやモーター類で使用しても、気になるほど短寿命ではありません。

むしろ、古いものは自己放電で寿命低下しているので、回転のいい(よく売れている)お店で購入して、早く使い切るようにするほうが「お徳」と考えていますが、倍以上の価格差があると、どうしてもやすい方を買ってしまいますね。

 

マンガン電池の規格ランクについて

マンガン電池については、高性能の「黒マンガン電池」と、高出力の「赤マンガン電池」があるのをご存知だと思うのですが、規格では、その他に「緑」や「青」があります。(緑・青は、見た記憶がありませんが・・・)

 

近年、マンガン電池からアルカリ電池への移行が進んだことで、平成20年以降はマンガン電池の国内生産品はなくなってしまっており、表示は国内メーカーのものであっても、すべて輸入品ということになってしまいました。

このこともあって、かつては販売されていた低品質ランクの「緑マンガンや青マンガン電池」はほとんど見ることがないのでしょう。

赤に比べて黒のほうが高寿命品というランクですが、これも、気にするほどのこともない・・・と考えていいようです。

つまり、「赤」は欧米での最高ランク品ですが、「黒」は日本のJISだけに規定されている「赤以上の品質」のものというものです。

そうは言うものの、もしも大電力がほしければアルカリ電池を使ったほうがいいので、「赤・黒」にこだわらないで、安いものをうまく使うようにするといいと思います。

 

電池の種類が多いので注意

「乾電池」は1次電池に分類されるもので、酸化銀電池、水銀電池、リチウム電池などの種類があって、基本的には、1次電池とは使い切りのもので、充電して使用するものではありません

 

充電して使用できる電池は「2次電池」に分類され、例えば、エネループなどの商品名のニッケル水素電池や大電力で高性能なリチウムイオン電池、鉛電池などがあります。

これらは、マンガン乾電池などとは出力電圧が違うので注意が必要です。(マンガン電池やアルカリ電池は1.5V-1.6V程度ですが、その他はそれより低いか高いので注意します)

2次電池の充電についても、それぞれの専用器具を使うことなどの制約や注意点があります。

例えば、ニッケル水素乾電池は電圧が1.2Vですので、ここで説明しているマンガン・アルカリ乾電池とは別物として考えないといけませんので、同じ用途には使えませんし異種類を混ぜて使うことも出来ません。

 

電池の種類を混同するのは危険ですし、電圧差があるものを使うことも発熱などの原因になります。

種類や電圧差のあるものを混ぜて使用すると、内部抵抗の違いや取り出せる電流量の偏りで発熱したり液漏れや爆発などの原因になりますので、取り替える場合は、同じ種類の新品を同時に取り替える必要があります。

私も実験したことがあるのですが、単3のアルカリ電池とマンガン電池の新品と使用品をいくつか用意して、2つ直列にすると、「直列の原理」通りに、電圧はそれぞれ単品の電圧を加えた合計の電圧になるのですが、それでモーターなどを回すと、もちろん、合計電圧の違いで(直流モーターの場合は)電圧が低いと回転数も低下している上に、主に電圧の低下した方の電池が発熱しやすいようです。

つまり、電池を使用していくと、電圧だけでなく、流せる電流量も低下していくようですので、ともかく、異種の電池を混ぜて使うのはトラブルの元・・・だということです。

これに加えて、今はアルカリ電池が主流になってしまいましたが、定電圧・大電流用途ではアルカリ電池、断続の使用では、休止中に電圧が回復する安価なマンガン電池を選ぶとよい・・・ということも覚えておくといいでしょう。

 

充電はそんなにメリットがない?という雑学

マンガン電池やアルカリ電池を充電した・・・という方もおられるでしょう。それらを充電すると蓄電量が増加するのは確かです。

しかし、かなり充電時に発熱していたと思います。本来これらは「1次電池」ですので、充電しても回復効果が低いので、本来は充電するものではない・・・とおぼえておくのが無難です。

乾電池用の充電器として販売されている充電器があります。

これは、パルス式充電という方法によって、充電時の液漏れの危険性を低減していますが、使った経験がある方もおられると思いますが、やはり充電中にかなり発熱していますので、液漏れの危険がありますし、電圧も気休め程度しか回復せず、思ったほど充電ができていなかったり、まったく充電できていないものもあったと思います。

1次電池(乾電池などの使い捨てのもの)は充電をしてはいけないと考えておいてください。

 

これらとは別に「充電式アルカリ電池」というものがあります。

現在は見ることが無いのですが、これは1.5Vで自己放電が少ないエコ製品なのですが、先のリチウムイオンやニッケル水素電池の普及もあって、日本ではあまり普及していません。

 

何回も書いていますが、非常に電池の種類が多くなっていますし、大容量になっています。電池は化学反応によって電気を取り出す、とても便利なものですが、どのような電池でも、それぞれに合った使用法を知って安全に使用しなければいけないことを記憶ください。

 

マンガン団塊

マンガン団塊(海洋開発機構のHPより引用:丸いのがマンガン団塊)

平成22年に南鳥島沖で、潜水船「しんかい」がマンガン団塊(マンガンノジュールという)を発見したというニュースが飛び込んだ時には、資源の少ない日本にとっての朗報だったという記憶があります。

これについては、現在もJOGMEC(独立行政法人 石油天然ガス・金属鉱物資源機構)などで調査がすすめられています。

 

このニュースのマンガン団塊とは、上の写真のような、直径が10cm程度以下の球形の堆積物がハワイ沖の公海の海底で発見されて、その調査がされているのですが、これは、鉄やマンガンが凝縮されて徐々に成長したもののようで、この中には、その他の金属やレアアースなども含まれている・・・ということもあって、これからの調査や採掘の期待がされています。

 

ハワイ沖にかけての深海に分布しているようで、マンガンだけでなく、ニッケル、コバルト、銅などが含まれており、この事も含めて今後の開発が待たれていますが、発見場所は公海上ですので、日本以外に多くの国が鉱区取得に動いており、これからの動向も気になるところです。

 

鉄鋼におけるマンガンの重要性

鉄と炭素の合金を「鋼(はがね)・鉄鋼」と言いますが、鋼は熱処理によって硬さを変化させることができることから、幅広い用途に使用されています。

 

鉄に炭素が溶け込んだものを鋼(はがね)と言い、この炭素量が増えると、熱処理によって硬さが高くなる(これを「焼入れ」といいます)などで様々な性質を持った製品になっていますが、品物が大きくなってくると、焼入れ時の冷却速度が遅くなって、大きな品物になるほど、内部の硬さが出にくくなります。

それには、「焼入れ性を向上させる合金元素」を加えることで改善されます。 その元素の筆頭がマンガンです。(その他には、焼入れ性を向上させる元素には、クロム、モリブデン、ニッケルなどがあります)

 

鋼製品では、マンガンの含有量を多くしすぎると、もろくなったり硬さが出なくなるという欠点が出てくるので、通常の鋼では0.5~1%程度までのものが多く、モリブデン、クロム、シリコン、ニッケルなどの元素を調整しながら、様々な特徴を持った高品質の鋼がたくさん製造されています。

 

鋼に含まれる炭素量を増やして2%以上になると、鋼中に炭素が溶け込まなくなって「鋳物」と言われる鉄と炭素の合金になります。これは、鋼よりも融点が低いので、それを加熱して溶融し、鋳型に流し込むことで複雑な形状の品物を作ることができます。

 

さらに鋼と鋳物の性質を持たせた「鋳鋼」という種類も製造されていますが、マンガンは、それぞれにその性質を調整するために配合されています。

 

特殊なものとしては、マンガンを10%以上含有させると、先に簡単に紹介したように、例えば、採掘工事用部品のように、全体は柔らかく割れにくいもので、採掘時の石と摩擦すると、表面が非常に硬くなって耐摩耗性のある部品になるという特殊な性質を持った鋼が生まれます。ハイマン鋳鋼やハイマンガン鋳鋼などと呼ばれています。

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