電池・エネルギー材料
リチウムイオン電池の正極・負極材料と理論容量の計算、層状・スピネル・オリビン構造、固体電解質、燃料電池、太陽電池のバンドギャップ、熱電材料のZTを3択問題で確認できます。
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電池・エネルギー材料の要点
リチウムイオン電池では、Li⁺ が正極と負極の結晶の間を行き来して充放電します。正極には層状岩塩型の LiCoO₂、スピネル型の LiMn₂O₄、オリビン型の LiFePO₄ などがあり、構造によって Li⁺ の通り道の次元や電圧、安全性が違います。電極の理論容量は Q = nF/(3.6M) mAh/g で求まります。液体の電解液を固体電解質に置き換える全固体電池の研究も進んでいます。
燃料電池では、電解質がプロトンを通すか酸化物イオンを通すかで作動温度が決まり、水素と酸素の反応の理論起電力は約1.23 V です。太陽電池の効率は、吸収層のバンドギャップによる光の透過と熱化損失の兼ね合いで上限が決まります。熱電材料の性能は ZT = S²σT/κ で表され、電気を通しながら熱を通しにくい材料が求められます。
電池・エネルギー材料の問題一覧（12問）
- リチウムイオン電池(負極が黒鉛、正極がLiCoO₂)を放電するときの、リチウムイオンと電子の動きとして正しいものはどれか。
- リチウムイオン電池の正極材料と結晶構造の組み合わせとして正しいものはどれか。
- 黒鉛負極にリチウムが最大まで入ると LiC₆ になる。黒鉛の理論容量(黒鉛の質量あたり)はどれに最も近いか。炭素の原子量を12.01、ファラデー定数を96485 C/molとし、1 mAh = 3.6 C とする。
- オリビン型の正極材料 LiFePO₄ で、Fe²⁺/Fe³⁺ の反応によりリチウムがすべて出入りするとしたときの理論容量はどれに最も近いか。LiFePO₄ の式量を157.8 g/mol、ファラデー定数を96485 C/molとし、1 mAh = 3.6 C とする。
- オリビン型の LiFePO₄ 正極の特徴として正しいものはどれか。
- 負極材料としてのシリコン(Si)についての説明として正しいものはどれか。
- 全固体電池に用いる硫化物系の固体電解質についての説明として正しいものはどれか。
- 固体高分子形燃料電池(PEFC)の電解質についての説明として正しいものはどれか。
- 水素と酸素から液体の水ができる反応 H₂ + 1/2 O₂ → H₂O(l) の標準ギブスエネルギー変化は25℃で −237 kJ/mol である。この反応を使う燃料電池の理論起電力はどれに最も近いか。ファラデー定数を96485 C/molとする。
- 単接合の太陽電池で、吸収層の半導体のバンドギャップに理論効率が最大になる最適値(地上の太陽光のもとで約1.1〜1.4 eV)がある理由として正しいものはどれか。
- ある熱電材料の300 Kでのゼーベック係数が200 µV/K、電気伝導率が1.0×10⁵ S/m、熱伝導率が1.5 W/(m·K) である。無次元性能指数 ZT = S²σT/κ はどれに最も近いか。
- 熱電材料の性能指数 ZT を大きくする方針として正しいものはどれか。