Litij-ionske baterije

Načelo rada bilo koje električne baterije jest akumulacija električne energije tijekom kemijske reakcije koja se događa kada struja punjenja teče kroz bateriju i stvaranja električne energije kada struja pražnjenja teče tijekom obrnute kemijske reakcije.

Reverzibilnost kemijske reakcije u bateriji omogućuje vam da više puta ispraznite i napunite bateriju. To je prednost baterija u odnosu na jednokratne izvore struje, u obične baterije u kojima je moguće samo pražnjenje struje.

Kao medij za prijenos naboja s jedne elektrode na bateriju koristi se elektrolit - posebno rješenje, zbog kemijske reakcije s materijalom na elektrodama mogu se dogoditi i izravne i obrnute kemijske reakcije u bateriji, što omogućuje punjenje baterije i njegov čin.

Danas je jedna od najperspektivnijih vrsta baterija litij-ionska baterija, U tim baterijama aluminij djeluje kao negativna elektroda (katoda), a bakar kao pozitivna elektroda (anoda). Elektrode mogu imati različit oblik, u pravilu je folija u obliku cilindra ili duguljasti paket.

Nanesite na aluminijsku foliju katodni materijal, koji najčešće može biti jedan od tri: litij-kobaltat LiCoO2, litijev ferofosfat LiFePO4 ili litij-mangan-špenel LiMn2O4, a grafit se nanosi na bakrenu foliju. Litijev ferofosfat LiFePO4 jedini je, trenutno sigurni katodni materijal u pogledu opasnosti od eksplozije i općenito ekološke sigurnosti.

Polimerni elektroliti koji u svoj sastav mogu ugraditi litijeve soli zbog svoje plastičnosti omogućuju proizvodnju litij-ionskih baterija s velikom unutarnjom površinom i gotovo bilo kojeg oblika, a to značajno povećava i obradivost i ukupne dimenzije.

U procesu punjenja takve baterije, litijevi ioni kreću se kroz elektrolit i ugrađuju se u kristalnu rešetku grafita na anodi, formirajući litij-grafitni spoj LiC6, Tijekom pražnjenja dolazi do obrnutog procesa - litijevi ioni prelaze na katodu (oksidator) iz anode, a elektroni prelaze na katodu u vanjskom krugu, što rezultira time da proces stječe električnu neutralnost.

Nazivni napon litij-ionske baterije iznosi 3,6 volta, međutim potencijalna razlika tijekom punjenja može doseći 4,23 volta. U vezi s tom činjenicom, naboj se proizvodi na maksimalnom dozvoljenom naponu ne većem od 4,2 volta.

Neki se litijevi spojevi mogu lako zapaliti ako se napon prekorači, stoga se tradicionalno ugrađuju u litij-ionske baterije kontroleri razine napunjenostikoji ne dopuštaju prekoračenje kritičnog napona. Još jedna sigurnosna značajka je integrirani ventil za ublažavanje viška tlaka unutar vreće.

Litij-ionske baterije već su zauzele svoje mjesto na tržištu prijenosnih kućanskih aparata. To su baterije za mobitele, fotoaparate, kamere, tablete, uređaje za reprodukciju itd.

Litijev ferofosfat LiFePO4 Smatra se najperspektivnijim katodnim materijalom zbog svoje ekološke prijaznosti. Litijev kobaltat LiCoO2 zauzvrat je toksičan i štetan za okoliš, a za baterije koje se temelje na njemu, samo 50% iona može se ukloniti iz strukture spoja, jer ako u potpunosti uklonite litij iz njega, struktura će postati nestabilna, kobalt će preći u stanje oksidacije + 4 i moći će oksidirati kisik, a oslobođeni atomski kisik oksidirat će elektrolit i doći će do eksplozije.Baterije povećanog kapaciteta (zasnovane na LiCoO2) izuzetno su eksplozivne.

Litijev ferofosfat LiFePO4 predložen je kao katodni materijal akumulatora za snažnije uređaje 1997. godine John Goodenough.

Litijev ferofosfat prisutan je u zemljinoj kori i neće stvoriti probleme okoline u budućnosti. Kisik se ne može oslobađati iz njega, jer je sve jako povezano fosforom i stvaranjem stabilnog fosfatnog iona. Međutim, da bi se mogao upotrijebiti ovaj materijal, morao je biti fragmentiran u sitne čestice, inače će ostati izolator zbog vrlo male vodljivosti. Čestice su načinjene lamelarno malih dimenzija duž smjera kretanja litijevih iona, zatim prevučene nanometarskim slojem ugljika.

Takve LiFePO4 nanočestice se mogu napuniti za 10 minuta, a ako je prevlaka i dalje modificirana, vrijeme punjenja smanjit će se na 1-3 minute. Ubuduće će upravo ovaj materijal moći napajati električna vozila 10 godina. Već tehnološki mogući ciklus punjenja napunjenosti u 5-10 minuta uz potpunu sigurnost.

Sa stajališta moderne znanosti, razvoj i oslobađanje jednolike prijenosni nanoakumulator Neće trebati dugo da se čeka, a riječ je samo o širokoj tehnološkoj implementaciji razvoja. Što se tiče izgleda električnih vozila, sada već možemo pretpostaviti da će oni postati glavni način prijevoza u gradovima bliske budućnosti.