Baterie litowo-jonowe

Zasada działania dowolnego akumulatora elektrycznego polega na gromadzeniu energii elektrycznej podczas reakcji chemicznej, która zachodzi, gdy ładujący prąd elektryczny przepływa przez akumulator, oraz wytwarzaniu energii elektrycznej, gdy prąd rozładowania przepływa podczas odwrotnej reakcji chemicznej.

Odwracalność reakcji chemicznej w akumulatorze umożliwia wielokrotne rozładowanie i naładowanie akumulatora. Jest to zaleta akumulatorów nad jednorazowymi źródłami prądu, zwykłymi akumulatorami, w których możliwy jest tylko prąd rozładowania.

Jako medium do przenoszenia ładunku z jednej elektrody akumulatorowej na drugą stosuje się elektrolit - rozwiązanie specjalne, ze względu na reakcję chemiczną z materiałem na elektrodach możliwe są zarówno bezpośrednie, jak i odwrotne reakcje chemiczne w akumulatorze, co umożliwia ładowanie akumulatora i jego stopień.

Obecnie jednym z najbardziej obiecujących rodzajów baterii jest bateria litowo-jonowa. W tych bateriach aluminium działa jak elektroda ujemna (katoda), a miedź jako elektroda dodatnia (anoda). Elektrody mogą mieć inny kształt, z reguły jest to folia w kształcie cylindra lub podłużnego opakowania.

Nakładać na folię aluminiową materiał katodowy, który najczęściej może być jednym z trzech: kobaltian litu LiCoO2, żelazofosforan litu LiFePO4 lub spinel litowo-manganowy LiMn2O4, a grafit jest nakładany na folię miedzianą. Fosforan litu LiFePO4 jest jedynym, obecnie bezpiecznym materiałem katodowym pod względem zagrożenia wybuchem i ogólnie przyjazności dla środowiska.

Elektrolity polimerowe, które ze względu na swoją plastyczność mogą zawierać sole litowe, umożliwiają wytwarzanie akumulatorów litowo-jonowych o dużej powierzchni wewnętrznej i prawie dowolnym kształcie, a to znacznie zwiększa zarówno produktywność produkcji, jak i ogólne wymiary.

W procesie ładowania takiej baterii jony litu przemieszczają się przez elektrolit i są osadzane w sieci krystalicznej grafitu na anodzie, tworząc związek litowo-grafitowy LiC6. Podczas rozładowania zachodzi proces odwrotny - jony litu przemieszczają się do katody (utleniacza) z anody, a elektrony przemieszczają się w obwodzie zewnętrznym do katody, w wyniku czego proces uzyskuje neutralność elektryczną.

Napięcie nominalne akumulatora litowo-jonowego wynosi 3,6 wolta, jednak różnica potencjałów podczas ładowania może osiągnąć 4,23 wolta. W związku z tym ładunek jest wytwarzany przy maksymalnym dopuszczalnym napięciu nie większym niż 4,2 wolta.

Niektóre związki litowe mogą łatwo zapalić się, jeśli napięcie zostanie przekroczone, dlatego tradycyjnie są one wbudowane w akumulatory litowo-jonowe kontrolery poziomu naładowaniaktóre nie pozwalają na przekroczenie napięcia krytycznego. Kolejną cechą bezpieczeństwa jest zintegrowany zawór zmniejszający nadciśnienie wewnątrz torby.

Akumulatory litowo-jonowe zajęły już należne im miejsce na rynku przenośnych urządzeń gospodarstwa domowego. Są to baterie do telefonów komórkowych, aparatów, kamer, tabletów, odtwarzaczy itp.

Ferrofosforan litu LiFePO4 Jest uważany za najbardziej obiecujący materiał katodowy ze względu na przyjazność dla środowiska. Z kolei kobaltan litu LiCoO2 jest toksyczny i szkodliwy dla środowiska, a dla opartych na nim akumulatorów tylko 50% jonów można usunąć ze struktury związku, ponieważ jeśli całkowicie usuniesz z niego lit, struktura stanie się niestabilna, kobalt przejdzie w stan utlenienia + 4 i będzie w stanie utleniać tlen, a uwolniony tlen atomowy utlenia elektrolit i nastąpi wybuch.Baterie o zwiększonej pojemności (oparte na LiCoO2) są wyjątkowo wybuchowe.

Żelazofosforan litowy LiFePO4 został zaproponowany jako materiał katodowy akumulatorów dla mocniejszych urządzeń w 1997 roku przez Johna Goodenougha.

Żelazofosforan litu jest obecny w skorupie ziemskiej i nie spowoduje żadnych problemów środowiskowych w przyszłości. Tlen nie może się z niego uwolnić, ponieważ jest on bardzo silnie związany z fosforem z utworzeniem stabilnego jonu fosforanowego. Jednak ze względu na możliwość zastosowania tego materiału musiał on zostać rozdrobniony na małe cząstki, w przeciwnym razie pozostałby izolatorem ze względu na bardzo niską przewodność. Cząstki wytworzono blaszkowate o małych rozmiarach wzdłuż kierunku ruchu jonów litu, a następnie powleczono je nanometrową warstwą węgla.

Takie nanocząsteczki LiFePO4 są w stanie naładować w ciągu 10 minut, a jeśli powłoka jest nadal modyfikowana, czas ładowania zostanie skrócony do 1-3 minut. W przyszłości to właśnie ten materiał będzie w stanie zasilać pojazdy elektryczne przez 10 lat. Już technologicznie możliwy cykl rozładowania w 5-10 minut z całkowitym bezpieczeństwem.

Z punktu widzenia współczesnej nauki rozwój i wydanie nawet przenośny nanoakumulator Nie trzeba długo czekać, a słowo dotyczy tylko szerokiego wdrożenia technologicznego zmian. Jeśli chodzi o perspektywy pojazdów elektrycznych, teraz możemy już założyć, że staną się one głównym środkiem transportu w miastach w niedalekiej przyszłości.