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Les réactions suivantes se produisent dans au moins un type de batterie de fabrication industrielle. Quelle équation est liée à la réaction à la cathode d’une batterie au lithium-ion ? (A) LiC6 solide réagit pour former C6 solide plus Li1+ aqueux plus un électron. (B) LiC6 solide plus CoO2 solide réagissent pour former C6 solide plus LiCoO2 solide. (C) Pb solide plus H2SO4 aqueux réagissent pour former PbSO4 solide plus deux H+ aqueux plus deux électrons. (D) CoO2 solide plus Li1+ aqueux plus un électron réagissent pour former LiCoO2 solide. (E) PbO2 solide plus H2SO4 aqueux plus deux H+ aqueux plus deux électrons réagissent pour former PbSO4 solide plus deux H2O liquide.
Les cellules galvaniques sont des cellules électrochimiques qui produisent de l’énergie électrique à partir de réactions chimiques spontanées. Il existe deux types de cellules galvaniques : primaires et secondaires. Les cellules galvaniques primaires sont à usage unique, mais les cellules galvaniques secondaires peuvent être rechargées. Une cellule galvanique secondaire peut fonctionner à la fois comme une cellule galvanique et une cellule électrolytique. Les batteries au lithium-ion et les batteries de voiture au plomb-acide sont des exemples de cellules galvaniques secondaires. Dans cette question, nous devons identifier les réactions chimiques qui se produisent à l’intérieur d’une batterie au lithium-ion.
En regardant les réactifs et les produits dans les équations chimiques (C) et (E), nous pouvons reconnaître que ces réactions se produisent dans les batteries de voiture au plomb-acide, et non dans les batteries au lithium-ion. Donc, nous pouvons éliminer ces deux choix de réponses et les supprimer de l’écran.
Maintenant, nous devons déterminer lequel des choix de réponse restants représente la réaction à la cathode d’une batterie au lithium-ion. Regardons à l’intérieur d’une batterie au lithium-ion lorsqu’elle fonctionne comme une cellule galvanique, ce qui signifie qu’elle se décharge et alimente un appareil externe. Dans la cellule galvanique, l’anode est en graphite lithium, ou LiC6. La cathode est en oxyde de lithium et de cobalt ou LiCoO2. L’électrolyte liquide à l’intérieur de la cellule est de l’hexafluorophosphate de lithium, ou LiPF6. Avec ces informations, nous pouvons éliminer le choix de réponse (A), car cette réaction implique l’anode, pas la cathode.
À l’anode dans la batterie, le graphite lithium est oxydé, libérant des ions lithium et des électrons. Les électrons traversent le circuit pour alimenter un appareil externe, et les ions lithium circulent de l’anode à la cathode à l’intérieur de la cellule. À la cathode, les ions lithium acceptent les électrons et sont donc réduits lorsqu’ils se combinent avec l’oxyde de cobalt pour former de l’oxyde de lithium et de cobalt. Nous pouvons voir que l’équation (D) représente cette réaction de réduction à la cathode et qu’elle doit être la bonne réponse. Cependant, regardons rapidement l’équation (B). L’équation (B) représente la réaction globale pendant la décharge, lorsque la cellule galvanique est en cours d’utilisation.
Alors, quelle équation est liée à la réaction à la cathode d’une batterie au lithium-ion ? La réponse est l’équation (D). CoO2 solide plus Li1+ aqueux plus un électron réagissent pour former LiCoO2 solide.