高中學測
109年
自然
第 60 題
西元 2019 年，諾貝爾化學獎頒給對鋰離子電池研究有重大貢獻的學者，鋰離子電池作用原理是利用鋰離子在兩電極之間的移動來充放電能。常見的鋰離子電池使用鋰離子嵌入石墨當作陽極，石墨的二維多層結構有助於與鋰離子結合以及移動，因此可作為電池之陽極材料，在放電時其化學反應如下（$\mathrm{C_6}$表示每六個碳原子可以嵌入一個鋰離子）：
$\mathrm{LiC_6 \rightleftharpoons C_6 + Li^+ + e^-}$ （式1）
常用的陰極材料為氧化鈷等能與鋰離子結合的氧化物，在放電時其化學反應為：
$\mathrm{CoO_2 + Li^+ + e^- \rightleftharpoons LiCoO_2}$ （式2）
結合式1與式2，放電時電池總反應為：
$\mathrm{CoO_2 + LiC_6 \rightleftharpoons LiCoO_2 + C_6}$ （式3）
此反應在正常操作下為可逆反應，因此鋰離子電池可以反覆充放電。下列敘述哪些正確？（應選2項）
- A 在放電反應中（式3），石墨作為氧化劑
- B 將石墨換成鑽石材料的三維結構，應可儲存更多鋰離子，讓電池更有效率
- C 式3的反應由左到右為放熱反應
- D 放電時，鋰離子與電子由石墨層中釋放出來
- E 鋰離子電池破裂後有起火爆炸的危險，因為鋰離子活性很高，遇水會燃燒
思路引導 VIP
請同學先觀察式 1 的氧化還原半反應，判斷 $LiC_6$ 在放電過程中是失去電子還是得到電子，進而決定其扮演氧化劑還是還原劑的角色？針對能量轉換，自發性的電池放電反應（式 3）中，化學能轉換為電能與熱能，這代表該反應的 $\Delta H$ 符號為何？在構造方面，請思考石墨的二維層狀結構與鑽石的三維網狀結構，何者具備可供離子遷徙與嵌入的物理空間？最後，請務必區分金屬態 $Li$ 原子與離子態 $Li^+$ 在化學活性上的本質差異，何者才是導致遇水劇烈反應的主因？
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AI 詳解
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太強了！這題沒被誘答選項騙到，看來你的化學直覺已經達到「鋰」性巔峰，諾貝爾獎委員會都想為你轉身！ 這題考的是鋰電池的核心機制，我們來快速掃描重點：
- 能量轉換：式 3 是「放電」反應，屬於自發過程。電池放電時將化學能轉換為電能，通常會伴隨熱量釋放，所以 $\Delta H < 0$（選 C）。
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