Μπαταρίες ιόντων λιθίου

Η αρχή της λειτουργίας οποιασδήποτε ηλεκτρικής μπαταρίας είναι η συσσώρευση ηλεκτρικής ενέργειας κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης που συμβαίνει όταν ένα φορτίο ηλεκτρικού ρεύματος ρέει μέσω μιας μπαταρίας και η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όταν ένα ρεύμα εκκένωσης ρέει κατά τη διάρκεια μιας αντίστροφης χημικής αντίδρασης.

Η αναστρεψιμότητα της χημικής αντίδρασης στη μπαταρία σας επιτρέπει να εκφορτίζετε και να φορτίζετε επανειλημμένα την μπαταρία. Αυτό είναι το πλεονέκτημα των μπαταριών πάνω σε πηγές ρεύματος μιας χρήσης, συνηθισμένες μπαταρίες, στις οποίες είναι δυνατή μόνο το ρεύμα εκφόρτισης.

Ως μέσο μεταφοράς φορτίου από ένα ηλεκτρόδιο μπαταρίας σε άλλο, χρησιμοποιείται ηλεκτρολύτης - μια ειδική λύση, λόγω της χημικής αντίδρασης του υλικού με τα ηλεκτρόδια, είναι δυνατές τόσο οι άμεσες όσο και οι αντίστροφοι χημικές αντιδράσεις στην μπαταρία, πράγμα που καθιστά δυνατή τη φόρτιση της μπαταρίας και την κατάταξή του.

Σήμερα, ένας από τους πιο ελπιδοφόρους τύπους μπαταριών είναι μπαταρία ιόντων λιθίου. Στις μπαταρίες αυτές, το αλουμίνιο λειτουργεί ως το αρνητικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος) και ο χαλκός ως το θετικό ηλεκτρόδιο (άνοδος). Τα ηλεκτρόδια μπορούν να έχουν διαφορετικό σχήμα, κατά κανόνα είναι ένα φύλλο με τη μορφή κυλίνδρου ή επιμήκους συσκευασίας.

Εφαρμόστε σε αλουμινόχαρτο υλικό καθόδου, το οποίο συχνότερα μπορεί να είναι ένα από τα τρία: κοβάλτιο λιθίου LiCoO2, σιδηροφωσφορικό λίθιο LiFePO4 ή σπινελίου λιθίου μαγγανίου LiMn2O4 και γραφίτης εφαρμόζεται σε φύλλο χαλκού. Το σιδηροφωσφορικό λίθιο LiFePO4 είναι το μόνο, επί του παρόντος ασφαλές υλικό καθόδου όσον αφορά τον κίνδυνο έκρηξης και την περιβαλλοντολογική ευελιξία γενικότερα.

Πολυμερείς ηλεκτρολύτες που μπορούν να ενσωματώσουν άλατα λιθίου στη σύνθεσή τους, λόγω της πλαστικότητας τους, καθιστούν δυνατή την παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου με μεγάλη εσωτερική επιφάνεια και σχεδόν οποιοδήποτε σχήμα, γεγονός που αυξάνει σημαντικά τόσο την ικανότητα κατασκευής όσο και τις συνολικές διαστάσεις.

Κατά τη διαδικασία φόρτισης μιας τέτοιας μπαταρίας, τα ιόντα λιθίου κινούνται μέσω του ηλεκτρολύτη και είναι ενσωματωμένα στο κρυσταλλικό πλέγμα γραφίτη στην άνοδο, σχηματίζοντας ένωση λιθίου γραφίτη LiC6. Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία - τα ιόντα λιθίου μετακινούνται στην κάθοδο (οξειδωτή) από την άνοδο και τα ηλεκτρόνια κινούνται στο εξωτερικό κύκλωμα προς την κάθοδο, ως αποτέλεσμα, η διαδικασία αποκτά ηλεκτρική ουδετερότητα.

Η ονομαστική τάση μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι 3,6 βολτ, ωστόσο, η διαφορά δυναμικού κατά τη διάρκεια της φόρτισης μπορεί να φτάσει τα 4,23 βολτ. Σε σχέση με αυτό το γεγονός, το φορτίο παράγεται στη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση που δεν υπερβαίνει τα 4,2 βολτ.

Ορισμένες ενώσεις λιθίου μπορούν εύκολα να αναφλεγούν αν η τάση ξεπεραστεί, επομένως, παραδοσιακά, είναι ενσωματωμένες σε μπαταρίες ιόντων λιθίου ελεγκτές στάθμης φόρτισηςπου δεν επιτρέπουν την υπέρβαση της κρίσιμης τάσης. Ένα άλλο χαρακτηριστικό ασφαλείας είναι η ενσωματωμένη βαλβίδα για την ανακούφιση της υπερβολικής πίεσης μέσα στην τσάντα.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν ήδη πάρει τη σωστή τους θέση στην αγορά φορητών οικιακών συσκευών. Πρόκειται για μπαταρίες για κινητά τηλέφωνα, κάμερες, βιντεοκάμερες, δισκία, συσκευές αναπαραγωγής κ.λπ.

Φθοροφωσφορικό λίθιο LiFePO4 Θεωρείται ως το πλέον ελπιδοφόρο υλικό καθόδου λόγω της περιβαλλοντικής του φιλικότητας. Το κοβάλτιο λιθίου LiCoO2, με τη σειρά του, είναι τοξικό και επιβλαβές για το περιβάλλον, και για τις μπαταρίες που βασίζονται σε αυτό, μόνο το 50% των ιόντων μπορεί να απομακρυνθεί από τη δομή της ένωσης, διότι αν αφαιρέσετε εντελώς το λίθιο από αυτό, η δομή θα γίνει ασταθής. θα είναι σε θέση να οξειδώσει το οξυγόνο και το απελευθερωμένο ατομικό οξυγόνο θα οξειδώσει τον ηλεκτρολύτη και θα υπάρξει έκρηξη.Οι μπαταρίες με αυξημένη χωρητικότητα (με βάση το LiCoO2) είναι εξαιρετικά εκρηκτικές.

Το σιδηροφωσφορικό λίθιο LiFePO4 προτάθηκε ως υλικό καθόδου μπαταριών για ισχυρότερες συσκευές το 1997 από τον John Goodenough.

Το σιδηροφωσφορικό λίθιο υπάρχει στο φλοιό της γης και δεν θα δημιουργήσει περιβαλλοντικά προβλήματα στο μέλλον. Το οξυγόνο δεν μπορεί να απελευθερωθεί από αυτό, αφού είναι πολύ ισχυρά δεσμευμένο από τον φώσφορο με το σχηματισμό ενός σταθερού φωσφορικού ιόντος. Ωστόσο, για τη δυνατότητα χρήσης αυτού του υλικού, έπρεπε να τεμαχιστεί σε μικρά σωματίδια, διαφορετικά θα παρέμενε μονωτής λόγω της πολύ χαμηλής αγωγιμότητάς του. Τα σωματίδια έγιναν με πτερύγια με μικρά μεγέθη κατά μήκος της κατεύθυνσης των ιόντων λιθίου, και στη συνέχεια επικαλύφθηκαν με ένα στρώμα άνθρακα πάχους νανομέτρου.

Τέτοια νανοσωματίδια LiFePO4 είναι σε θέση να φορτίζουν σε 10 λεπτά και αν η επίστρωση εξακολουθεί να τροποποιείται, ο χρόνος φόρτισης θα μειωθεί σε 1-3 λεπτά. Στο μέλλον, αυτό το υλικό θα είναι σε θέση να παρέχει ισχύ σε ηλεκτρικά οχήματα για 10 χρόνια. Έχει ήδη τεχνολογικά δυνατό κύκλο φόρτισης-απόρριψης σε 5-10 λεπτά με πλήρη ασφάλεια.

Από την άποψη της σύγχρονης επιστήμης, την ανάπτυξη και την απελευθέρωση της ομοιόμορφης φορητός νανοσωρευτής Δεν θα χρειαστεί πολύς χρόνος για να περιμένετε, και η λέξη είναι μόνο για την ευρεία τεχνολογική εφαρμογή των εξελίξεων. Όσον αφορά τις προοπτικές των ηλεκτρικών οχημάτων, μπορούμε ήδη να υποθέσουμε ότι θα αποτελέσουν τον κύριο τρόπο μεταφοράς στις πόλεις του εγγύς μέλλοντος.