目指せ！エネルギー管理士 電気分野
平成25年度 問題14 電気化学
(1) 電気化学システム
電気化学システムを用いると，電気エネルギーと化学エネルギーの相互交換を行うことができる。また，このシステムを用いると，純度の低い金属を高純度化できる。電気の導体として用いられる銅は，この方法で高純度化され，それが電気抵抗の低減につながっている。
この銅の電気精錬においては，二つの電極で次の反応が起こっている。
ここで，e-1 は電子を表す。
純度の低い粗銅中の銅は，電極 ② における反応で，電解質である硫酸水溶液に溶け出す。この粗銅は，電気システムとしてはアノード極としての役目を担っている。粗銅中の不純物のうち，鉄や亜鉛などの，銅よりもイオン化傾向が大きな金属は電極 ② における反応で溶け出すが，対極で析出することなく電解液中に残る。一方，白金，銀といったイオン化傾向が銅より小さい金属は，電解液に溶けずに電極 ② 近傍に残る。このように電解反応を利用して銅を高純度化できる。ここで，溶解あるいは析出する銅の物質量はファラデーの法則に従い，電気分解において流れた電気量に比例する。
(2) 電気分解におけるファラデーの法則
電気分解におけるファラデーの法則の定数はファラデー定数と呼ばれ，クーロン単位で表すと，96 500 C/mol であるが，電流と時間を使った単位で表すと 26.8 [A·h/mol] である。
電気銅を電気分解で作るときに，2 kA で 5 時間電解反応させると，理論的に得られる純銅は 12 [kg] である。これを電流効率 90 % で運転したときに得られる純銅は 11 [kg] となる。ここで，銅の原子量は 64 とする。
ファラデー定数を電流と時間を使った単位に変換する。
\[ \frac{96500 \text{ [C/mol]}}{60 \text{ [min/h]} \times 60 \text{ [sec/min]}} =26.805 \text{ [A·h/mol]} \approx 26.8 \text{ [A·h/mol]} \]電流効率 90 % で運転したときに得られる純銅は，次式で求められる。
\[ 12 \text{ [kg]} \times 0.90 = 10.8 \text{ [kg]} \approx 11 \text{ [kg]} \](3) リチウムイオン電池
1) リチウムイオン電池は充放電が可能な二次電池であり，軽くてエネルギー密度が高いことから携帯電話，パソコンなどに広く用いられている。この電池の公称電圧は，一般におよそ 3.7 [V] である。電解液には，有機電解質が用いられ，イオン伝導性を向上させるためにリチウム塩を添加している。この電池の充放電反応は，正極と負極の間のリチウムイオンの移動によって行われるが，このとき，電解液中のリチウムイオンの濃度は変化しないので，ロッキングチェア形と呼ばれる。
2) リチウムイオン電池として実用化されている電池の正極には，主にコバルト酸リチウムが用いられている。負極としては炭素を用いるのが主体であるが，より高機能を目指した電池に向けて，両極の新規電極活物質の開発が進められている。この電池の充放電時の反応に関与する電子数はリチウムイオン 1 個当たり 1 個である。