Ličio jonų baterijos

Bet kurios elektrinės baterijos veikimo principas yra elektros energijos kaupimas cheminės reakcijos metu, vykstančios, kai per akumuliatorių teka įkrovimo elektros srovė, ir elektros energijos generavimas, kai iškrovos srovė teka atvirkštinės cheminės reakcijos metu.

Cheminės reakcijos grįžtamumas akumuliatoriuje leidžia pakartotinai iškrauti ir įkrauti akumuliatorių. Tai yra akumuliatorių pranašumas, palyginti su vienkartiniais srovės šaltiniais, paprastomis baterijomis, kuriose įmanoma tik iškrovos srovė.

Kaip terpė perkelti iš vieno akumuliatoriaus elektrodo į kitą, naudojamas elektrolitas - specialus sprendimas, dėl kurio cheminės reakcijos su medžiaga ant elektrodų galimos tiek tiesioginės, tiek atvirkštinės cheminės reakcijos akumuliatoriuje, kas leidžia įkrauti akumuliatorių ir jo rangas.

Šiandien viena perspektyviausių baterijų rūšių yra ličio jonų akumuliatorius. Šiose baterijose aliuminis veikia kaip neigiamas elektrodas (katodas), o varis - kaip teigiamas elektrodas (anodas). Elektrodai gali būti kitokios formos, kaip taisyklė, tai yra folija cilindro arba pailgos pakuotės pavidalu.

Užtepkite ant aliuminio folijos katodo medžiaga, kuris dažniausiai gali būti vienas iš trijų: ličio kobaltatas LiCoO2, ličio ferofosfatas LiFePO4 arba ličio mangano spinelis LiMn2O4, o grafitas uždedamas ant varinės folijos. Ličio ferofosfatas LiFePO4 yra vienintelė šiuo metu saugi katodo medžiaga, atsižvelgiant į sprogimo pavojų ir ekologiškumą apskritai.

Polimeriniai elektrolitai, kurie į savo sudėtį gali įtraukti ličio druskas, dėl savo plastiškumo leidžia gaminti ličio jonų baterijas, turinčias didelį vidinį paviršių ir beveik bet kokią formą, ir tai žymiai padidina tiek produkcijos pagaminamumą, tiek bendrus matmenis.

Įkraunant tokią akumuliatorių, ličio jonai juda per elektrolitą ir yra įterpiami į anodo grafito kristalinę gardelę, sudarydami ličio grafito junginys LiC6. Iškrovimo metu vyksta atvirkštinis procesas - ličio jonai iš anodo juda į katodą (oksidatorių), o elektronai išorinėje grandinėje juda į katodą, todėl procesas įgyja elektrinį neutralumą.

Ličio jonų akumuliatoriaus vardinė įtampa yra 3,6 voltai, tačiau potencialų skirtumas įkrovimo metu gali siekti 4,23 volto. Atsižvelgiant į šį faktą, įkrova sukuriama esant ne didesnei kaip 4,2 volto maksimaliai leistinai įtampai.

Kai kurie ličio junginiai gali lengvai užsidegti, jei viršijama įtampa, todėl tradiciškai jie įmontuojami į ličio jonų baterijas įkrovos lygio valdikliaikurie neleidžia viršyti kritinės įtampos. Kita saugos funkcija yra integruotas vožtuvas, kuris sumažina perteklinį slėgį maiše.

Ličio jonų baterijos jau užėmė teisėtą vietą nešiojamųjų buitinių prietaisų rinkoje. Tai yra mobiliųjų telefonų, fotoaparatų, vaizdo kamerų, planšetinių kompiuterių, grotuvų ir kt. Akumuliatoriai.

Ličio ferofosfatas LiFePO4 Dėl ekologiškumo ji laikoma perspektyviausia katodo medžiaga. Ličio kobaltatas LiCoO2, savo ruožtu, yra toksiškas ir kenksmingas aplinkai, o akumuliatoriams, kurių pagrindu jis pagamintas, iš junginio struktūros galima pašalinti tik 50% jonų, nes jei visiškai pašalinsite ličio iš jo struktūrą, ji taps nestabili, kobaltas pereis į oksidacijos būseną + 4 ir sugebės oksiduoti deguonį, o išsiskyręs atominis deguonis oksiduos elektrolitą, įvyks sprogimas.Padidėjusios talpos akumuliatoriai (remiantis LiCoO2) yra ypač sprogūs.

John Goodenough 1997 m. Pasiūlė ličio ferofosfatą LiFePO4 kaip galingesnių prietaisų baterijų katodinę medžiagą.

Ličio ferofosfatas yra žemės plutoje ir ateityje nesukels jokių aplinkos problemų. Iš jo negalima išsiskirti deguoniui, nes jis visas labai stipriai jungiasi su fosforu, sudarydamas stabilų fosfato joną. Tačiau norint panaudoti šią medžiagą, ji turėjo būti suskaidyta į mažas daleles, nes priešingu atveju ji išliks izoliatorė dėl labai žemo laidumo. Dalelės buvo pagamintos iš mažų matmenų lamelių išilgai ličio jonų judėjimo krypties, po to padengtos nanometrų storio anglies sluoksniu.

Tokios LiFePO4 nanodalelės gali įkrauti per 10 minučių, o jei danga vis tiek bus modifikuota, įkrovimo laikas sumažės iki 1–3 minučių. Ateityje būtent ši medžiaga 10 metų galės tiekti energiją elektrinėms transporto priemonėms. Jau technologiškai įmanomas įkrovimo ir iškrovimo ciklas per 5–10 minučių, užtikrinant visišką saugumą.

Šiuolaikinio mokslo požiūriu, tolygaus kūrimas ir išleidimas nešiojamasis nanoakumuliatorius Ilgai laukti nereikės, o žodis skirtas tik plačiam technologiniam pokyčių įgyvendinimui. Kalbant apie elektromobilių perspektyvas, dabar jau galime manyti, kad artimiausioje ateityje jie taps pagrindine transporto rūšimi.