電気化学8【電験3種機械】リチウムイオン二次電池の構造（正極・負極・電解液）の穴埋め問題！平成30年度 A問題12 完全解説

2026年7月10日2026年8月8日

電験3種機械科目電気化学平成30年度 A問題12 リチウムイオンが行き来する！電池の中身は？

今回は平成30年度機械科目 A問題12を解説します。携帯用電子機器や電気自動車の電源として使われるリチウムイオン二次電池の正極・負極・電解液の材料と、放電時のリチウムイオンの移動方向、セル電圧に関する空所補充問題です。

正極にリチウムを含む金属酸化物、負極に黒鉛、電解液に有機電解液を用い、放電時はリチウムイオンが負極から正極へ移動する（充電時はその逆）という基本構造と、セル電圧3〜4Vという高い電圧値を押さえるのがポイントです。

平成30年度機械科目 A問題12：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

電験3種機械科目電気化学平成30年度 A問題12 問題文 — 平成30年度機械科目 A問題12 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「平成30年度第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題12

電験3種機械科目【電気化学】平成30年度 A問題12

　次の文章は，リチウムイオン二次電池に関する記述である。

　リチウムイオン二次電池は携帯用電子機器や電動工具などの電源として使われているほか，電気自動車の電源としても使われている。

　リチウムイオン二次電池の正極には（ア）が用いられ，負極には（イ）が用いられている。また，電解液には（ウ）が用いられている。放電時には電解液中をリチウムイオンが（エ）へ移動する。リチウムイオン二次電池のセル当たりの電圧は（オ）V程度である。

　上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)，(エ)及び(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（ア）（イ）（ウ）（エ）（オ）
(1) リチウムを含む金属酸化物主に黒鉛有機電解液負極から正極 3〜4
(2) リチウムを含む金属酸化物主に黒鉛無機電解液負極から正極 1〜2
(3) リチウムを含む金属酸化物主に黒鉛有機電解液正極から負極 1〜2
(4) 主に黒鉛リチウムを含む金属酸化物有機電解液負極から正極 3〜4
(5) 主に黒鉛リチウムを含む金属酸化物無機電解液正極から負極 1〜2

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）	（オ）
(1)	リチウムを含む金属酸化物	主に黒鉛	有機電解液	負極から正極	3〜4
(2)	リチウムを含む金属酸化物	主に黒鉛	無機電解液	負極から正極	1〜2
(3)	リチウムを含む金属酸化物	主に黒鉛	有機電解液	正極から負極	1〜2
(4)	主に黒鉛	リチウムを含む金属酸化物	有機電解液	負極から正極	3〜4
(5)	主に黒鉛	リチウムを含む金属酸化物	無機電解液	正極から負極	1〜2

(ウ) なぜ有機電解液でなければならないか

本問でいちばん理由のはっきりした空欄——水は使えないのです。

水の理論分解電圧

\( 1.23\ [\mathrm{V}] \)

これを超える電圧をかけると、水が電気分解してしまう

リチウムイオン電池のセル電圧は3〜4 V——水溶液では1.23 V を大きく超えてしまいます。電池として働く前に、水のほうが分解してしまうのです。

電池	セル電圧	電解液	理由
鉛蓄電池	2.0 V	希硫酸（水溶液）	1.23 V を超えるが、過電圧で実用可
ニッケル系	1.2 V	KOH（水溶液）	1.23 V 以下で問題なし
★リチウムイオン	★3.7 V	★有機電解液	★水では分解してしまう

さらにリチウム金属は水と激しく反応します——水気は厳禁。2つの理由から、水を含まない有機溶媒が使われるのです。

その代わり有機電解液は可燃性——リチウムイオン電池の発火事故は、これが原因です。高い電圧と引き換えのリスクだと言えます。

リチウムイオン二次電池の負極、電解液、正極と放電経路の図 — 放電時のLi⁺は負極から正極へ、電子は外部負荷を通って移動します

(エ) 放電時はリチウムイオンが負極から正極へ

電池の中を正イオンが流れる向きは、電流の向きと同じ——放電時は負極から正極へです。

	★放電時	充電時
Li⁺ の移動	★負極 →正極	正極 →負極
電子の移動（外部）	負極 →正極	正極 →負極
負極（黒鉛）	★Li を放出	Li を取り込む

リチウムイオンが電極の間を往復するだけ——電極そのものは大きく変化しません。これをロッキングチェア型といいます。

鉛蓄電池では電極が硫酸鉛になったり戻ったり——大きく変化するので劣化しやすいのです。リチウムイオンが長寿命なのは、この構造によるところが大きいでしょう。

「イオンが行き来する」という点では、電流の向きと同じ——放電で電流は正極から外部へ出るので、電池の内部では負極から正極へ。回路として一周すると考えれば向きが決まります。

リチウムイオン二次電池問題の5つの空欄と正解1を示す解答図 — 金属酸化物、黒鉛、有機電解液、負極から正極、3～4Vで正解は(1)

答え正解は (1)——(ア)リチウムを含む金属酸化物　(イ)主に黒鉛　(ウ)有機電解液　(エ)負極から正極　(オ)3〜4 です。

⚠️ よくある間違い
(ウ)を「無機電解液」としてしまう——選択肢(2)(5)がそれです。
水を含む電解液では3〜4 V に耐えられない——(ウ)と(オ)はセットで考えられます。高電圧＝有機電解液 という対応です。
(ア)(イ)を逆にする選択肢(4)(5)——黒鉛が正極では電圧が出ません。リチウムを含むほうが正極 だと押さえてください。
(オ)を1〜2 V とする選択肢(2)(3)(5)——リチウムイオンの高電圧が最大の特徴です。(オ)だけで3つ落とせる——あとは(エ)を見れば確定します。

なぜ電気自動車に使われるのか

質量あたりのエネルギー密度が高い——それが最大の理由です。

二次電池	質量エネルギー密度の目安	相対値
鉛蓄電池	約35 Wh/kg	1
ニッケル・水素	約70 Wh/kg	2
★リチウムイオン	★150〜250 Wh/kg	★4〜7

電圧が3倍以上高いことが、そのまま効いています——エネルギーは電圧×電気量ですから、同じ電気量でも3倍のエネルギーが取り出せるのです。

さらにリチウムは最も軽い金属——原子量6.9。軽くて高電圧という、電池にとって理想的な性質を持っています。

電気自動車では車両重量が航続距離を左右する——だから軽い電池が決定的に有利になります。鉛蓄電池では実用的な航続距離が得られないのです。

⏱️ 本番での進め方
①(ア)(イ) リチウム含有金属酸化物が正極、黒鉛が負極。
②(ウ)★水は1.23 V で分解するので有機電解液。
③(エ) 放電時 Li⁺ は負極→正極（電流と同じ向き）。
④(オ)★3〜4 V。これだけで3つの選択肢が落ちる。

💡 覚え方
「3〜4 V だから水は使えない」——水の分解電圧1.23 V が理由です。そして「放電時は負極から正極へ」——電池内部の正イオンは電流と同じ向きに流れます。

他の二次電池は平成18年度 A問題12（ニッケル・水素蓄電池）、令和4年度上期 A問題12（NAS電池）にあります。

リチウムイオン二次電池の放電時と充電時のLiイオン移動方向の比較図 — Li⁺は放電時に負極から正極へ、充電時に正極から負極へ移動します

正極材料の選択肢

「リチウムを含む金属酸化物」——具体的にはいくつもの種類があります。

正極材料	組成	特徴
コバルト酸リチウム	LiCoO₂	★最初に実用化。高電圧
マンガン酸リチウム	LiMn₂O₄	安価・安全性が高い
リン酸鉄リチウム	LiFePO₄	★安全・長寿命。電圧はやや低い
三元系	Ni・Co・Mn	★EV用の主流

どれも「リチウムを含む金属酸化物」——問題文が具体名を挙げていないのは、種類が多いからでしょう。

コバルトは希少で高価——使用量を減らす方向で開発が進んでいます。リン酸鉄系は資源制約が小さく、近年採用が増えているのです。

負極が黒鉛である理由

黒鉛は層状構造——その層の間にリチウムイオンが入り込めます。

金属リチウムをそのまま負極にすると、充電時に針状の結晶が成長して短絡する——デンドライトという現象です。黒鉛に取り込ませることで、これを防いでいるのです。

「リチウムイオン電池」という名も、リチウムが金属ではなくイオンとして働くことに由来します——金属リチウム電池（一次電池）とは別物です。

空欄をどの順で決めるか

(オ)のセル電圧から攻めるのが最短です。

確定させる欄	正しい値	残る選択肢
(オ)	3〜4 V	★(1)(4)
(ア)	リチウムを含む金属酸化物	★(1)に確定

リチウムイオン電池の3〜4 V は最も有名な特徴——これで3つ落ちます。1〜2 V ではニッケル系と変わらず、優位性がありません。

残る(1)と(4)の違いは(ア)(イ)の入れ替え——正極がリチウムを含む側です。電池の名前が「リチウムイオン」なのですから、リチウムの供給源が正極だと考えられます。

2手で確定——(ウ)(エ)は確認するまでもありません。ただし時間があれば、(ウ)の有機電解液も見ておくと確実です。