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電験２種過去問【2022年機械 問6】

2022年12月15日

【電気化学】リチウムイオン電池に関する記述《空所問題》

　次の文章は、電池に関する記述である。文中の\(\fbox{空所欄}\)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。
　一つの電解質に接した２種類の電極を導線で結ぶと、一方の電極で酸化、もう一方の電極で還元反応が起こる。このように酸化還元反応に伴って\(\fbox{（１）}\)エネルギーを電気エネルギーに変える装置を電池（化学電池）という。
　リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコン、電気自動車などさまざまな用途に用いられる小型、軽量で起電力が高い\(\fbox{（２）}\)である。代表的なものとして、負極に黒鉛Cに取り込まれたリチウム、正極にはコバルト(Ⅲ)酸リチウム\(LiCoO_2\)を用い、電解質としてはエチレンカーボネート\((CH_2O)_2CO)\)などの有機化合物へキサフルオロリン酸リチウム\(LiPF_6\)などの\(\fbox{（３）}\)を溶かしたものを用いたものがある。
　放電時には負極の活物質の電子が\(\fbox{（４）}\)して\(Li^{+}\)が生じ、電解質を通り正極内の層間に入る。充放電の反応は次のとおりである。

\(\small{\begin{array}{ccc}
&&放電&\\
[負極]&LiC_6&⇄&Li^{+}+C_6+e^{-}\\
&&充電&\\
&&&\\
&&放電&\\
[正極]&CoO_2+Li^{+}+e^{-}&⇄&LiCoO_2\\
&&充電&\\
&&&\\
&&放電&\\
[全体の反応]&\fbox{（５）}&⇄&LiCoO_2+C_6\\
&&充電&\\
\end{array}}\)

である。

［問６の解答群］

\(\small{\begin{array}{ccc}
(ｲ)&化学　　&(ﾛ)&アルカリ&(ﾊ)&LiC_6+CoO_2+Li^{+}\\
(ﾆ)&一次電池&(ﾎ)&クーロン&(ﾍ)&LiC_6+CoO_2+Li^{+}+e^{-}\\
(ﾄ)&熱　　　&(ﾁ)&LiC_6+CoO_2&(ﾘ)&奪われて酸化\\
(ﾇ)&塩　　　&(ﾙ)&酸　　　&(ｦ)&付加されて酸化\\
(ﾜ)&二次電池&(ｶ)&燃料電池&(ﾖ)&奪われて還元\\
\end{array}}\)

解答と解説はこちら

解答

\(\small{\begin{array}{cc}
\hline(1)&(ｲ)&化学\\
\hline(2)&(ﾜ)&二次電池\\
\hline(3)&(ﾇ)&塩\\
\hline(4)&(ﾘ)&奪われて酸化\\
\hline(5)&(ﾁ)&LiC_6+CoO_2\\
\hline\end{array}}\)

解説

　一つの電解質に接した２種類の電極を導線で結ぶと、一方の電極で酸化、もう一方の電極で還元反応が起こる。このように酸化還元反応に伴って\(\fbox{(ｲ)化学}\)エネルギーを電気エネルギーに変える装置を電池（化学電池）という。
　リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコン、電気自動車などさまざまな用途に用いられる小型、軽量で起電力が高い\(\fbox{(ﾜ)二次電池}\)である。代表的なものとして、負極に黒鉛Cに取り込まれたリチウム、正極にはコバルト(Ⅲ)酸リチウム\(LiCoO_2\)を用い、電解質としてはエチレンカーボネート\((CH_2O)_2CO)\)などの有機化合物へキサフルオロリン酸リチウム\(LiPF_6\)などの\(\fbox{(ﾇ)塩}\)を溶かしたものを用いたものがある。
　放電時には負極の活物質の電子が\(\fbox{(ﾘ)奪われて酸化}\)して\(Li^{+}\)が生じ、電解質を通り正極内の層間に入る。充放電の反応は次のとおりである。

\(\small{\begin{array}{ccc}
&&放電&\\
[負極]&LiC_6&⇄&Li^{+}+C_6+e^{-}\\
&&充電&\\
&&&\\
&&放電&\\
[正極]&CoO_2+Li^{+}+e^{-}&⇄&LiCoO_2\\
&&充電&\\
&&&\\
&&放電&\\
[全体の反応]&(ﾁ)LiC_6+CoO_2&⇄&LiCoO_2+C_6\\
&&充電&\\
\end{array}}\)

である。

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Posted by ちゅん