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大学入試 リチウムイオン電池過去の出題例
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2019年10月 吉野彰 氏 らノーベル化学賞受賞

まずはニュースサイトより引用。

スウェーデンの王立科学アカデミーは9日、リチウムイオン電池の開発に寄与した3人にノーベル化学賞を贈ると発表した。リチウムイオン電池が「モバイルの世界を可能にした」と評価している。

米テキサス大学オースティン校のジョン・B・グッドイナフ教授(97)、ニューヨーク州立大学ビンガムトン校のM・スタンリー・ウィッティンガム教授(77)、そして日本の旭化成名誉フェローで名城大学教授の吉野彰氏(71)の3人。900万スウェーデンクローナ(約9700万円)の賞金は3人で分け合う。

グッドイナフ氏は、ノーベル賞受賞時の年齢としては史上最高齢。

リチウムイオン電池は軽く、再充電が可能な電池で、携帯電話やラップトップ、電気自動車(EV)などに利用されている。また、太陽光発電や風力発電といった再生可能エネルギーの蓄電にも活用されている。

日本人のノーベル化学賞受賞は 9 年ぶり。いやあ、素直にめでたい。今を生きる我々現代人の周りにはスマホ、ノートPCなどの電子機器が溢れかえっている。小さくて安全なバッテリーの需要は依然として高い。

ノーベル化学賞から大学受験目線で思うこと

まあ、間違いなく今年や来年は「リチウムイオン電池」の出題がされるであろう。

過去での出題例を、「Studyaid 理科」のデータベースで調べてみた。
(少し古めだが・・・) 2つだけ紹介。

2018年 早稲田大学

2006京都大学

あと同じリチウムだが、こちらはリチウム電池。

一次電池なので充電はできない。一応載せておく。

1999センター試験、1996東京大学

リチウムイオン電池の方は化学反応式が $x$ やら $n$ やら使われているせいでぱっと見難しく感じるが、取り組んでみると超難問っていうわけではない。

現象として、負極材料カーボン(C) から $\ce{Li^+}$が取れて正極材料 LiCoO2に $\ce{Li^+}$が取り込まれ,この電気化学的反応で電子が負極から正極に流れ込むということを理解すれば、極の質量変化から電子の mol が計算できる。


画像 https://www.chem-station.com/blog/2019/10/nobelchem2019.html

リチウムイオン電池の一番簡単な例題

例題
リチウム二次電池を用いて鉛蓄電池を充電すると, リチウム二次電池の負極の質量は 2.30 g 減少した。この質量変化から計算すると, 鉛蓄電池に流れた電子の物質量 [mol]はいくらになるか。(Li = 6.94)
ただし, リチウム二次電池の放電における負極の反応は次の式を用いよ。
リチウム二次電池の負極:$\ce{LiC_n -> Li^+ + n C + e^{-}}$
負極のイオン反応式により, 1 mol の Li がイオン化して極が軽くなると, 1 mol の $\ce{e^{-}}$ が流れるので, その物質量は

$\displaystyle \frac{ 2.30 }{ 6.94 } \times 1 = 0.3314$[mol] である。

反応式さえ作れれば, 式の係数を用いた単なる mol 計算。正極, 負極ともにどのような化学式で書けるかは問題文に明示されるので, $x$ や $n$ にビビらずに, 落ち着いて係数を考えていこう。

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