Lítium-ion akkumulátorok

Bármely elektromos akkumulátor működésének elve az elektromos energia felhalmozódása egy kémiai reakció során, amely akkor következik be, amikor egy töltő elektromos áram áramlik az akkumulátoron, és elektromos energia előállítása, amikor egy kisülési áram folyik fordított kémiai reakció során.

Az akkumulátor kémiai reakciójának visszafordíthatósága lehetővé teszi az akkumulátor többszöri ürítését és feltöltését. Ez az akkumulátorok előnye az eldobható áramforrásokhoz képest, a szokásos akkumulátorokhoz képest, amelyekben csak kisülési áram lehetséges.

Az egyik akkumulátor elektródáról a másikra történő töltés közegeként elektrolitot használnak - egy speciális megoldást, amelynek kémiai reakciója az elektródok anyagán keresztül lehetővé teszi az akkumulátor közvetlen és fordított kémiai reakcióit, ami lehetővé teszi az akkumulátor feltöltését és rangja.

Manapság az egyik legígéretesebb típusú elem lítium-ion akkumulátor. Ezekben az elemekben az alumínium negatív elektródként (katód), és a réz pozitív elektródként (anód) viselkedik. Az elektródák eltérő alakúak lehetnek, általában henger vagy hosszúkás csomagolású fólia.

Vigyen fel alumínium fóliára katód anyag, amelyek leggyakrabban a három közül lehetnek: lítium-kobalát LiCoO2, lítium-ferrofoszfát LiFePO4 vagy lítium-mangán spinell LiMn2O4, és a grafitot rézfóliára hordják. A lítium-ferrofoszfát LiFePO4 az egyetlen, jelenleg biztonságos katód anyag a robbanásveszély és általában a környezetbarát szempontjából.

Azok a polimer elektrolitok, amelyek beépíthetik a lítiumsókat összetételükbe, plasztikusságuk miatt, lehetővé teszik nagy belső felülettel és szinte bármilyen alakú lítium-ion akkumulátorok előállítását, és ez jelentősen növeli mind a gyártás gyárthatóságát, mind az általános méreteket.

Az ilyen akkumulátor töltése során a lítium-ionok áthaladnak az elektroliton, és bele vannak ágyazva az anódon lévő grafitkristályrácsba, és lítium-grafit-vegyület, LiC6. A kisülés során fordított folyamat zajlik - a lítium-ionok az anódtól a katódhoz (oxidálószerhez) mozognak, az elektronok a külső áramkörben a katódhoz vezetnek, amelynek eredményeként a folyamat elektromos semlegességet szerez.

A lítium-ion akkumulátor névleges feszültsége 3,6 volt, azonban a töltés közben a potenciálkülönbség eléri a 4,23 voltot. Ezzel összefüggésben a töltés maximális megengedett feszültségnél, legfeljebb 4,2 volt.

Egyes lítiumvegyületek könnyen meggyulladhatnak, ha a feszültséget túllépik, ezért hagyományosan lítium-ion akkumulátorokba épülnek töltés szintű vezérlőkamelyek nem teszik lehetővé a kritikus feszültség túllépését. Egy másik biztonsági funkció az integrált szelep, amely csökkenti a zsák belsejében lévő túlzott nyomást.

A lítium-ion akkumulátorok már elfoglalják jogszerű helyüket a hordozható háztartási készülékek piacán. Ezek mobiltelefonok, kamerák, videokamerák, táblagépek, lejátszók stb.

Lítium-ferrofoszfát LiFePO4 Környezetbarát jellege miatt a legígéretesebb katódanyag. A lítium-kobalát LiCoO2 viszont mérgező és környezeti szempontból káros, és az azon alapuló akkumulátorok esetében az ionoknak csak az 50% -a nyerhető ki a vegyület szerkezetéből, mivel ha teljesen eltávolítja a lítiumot, a szerkezet instabillá válik, a kobalt oxidációs állapotba kerül + 4 és képes oxidálni az oxigént, és a felszabadult atomos oxigén oxidálja az elektrolitot, és robbanás lép fel.A megnövekedett kapacitású (LiCoO2 alapú) akkumulátorok rendkívül robbanásveszélyesek.

John Goodenough 1997-ben javasolta a lítium-ferrofoszfát LiFePO4-et mint erősebb eszközök akkumulátorának katód-anyagát.

A lítium-ferrofoszfát jelen van a földkéregben, és a jövőben semmiféle környezeti problémát nem okoz. Az oxigén nem szabadul fel belőle, mivel mindegyik nagyon erősen kötődik a foszforhoz stabil foszfát-ion képződésével. Ennek az anyagnak a felhasználása érdekében azonban apró részecskékre kellett feldarabolnia, különben nagyon alacsony vezetőképessége miatt szigetelő anyag marad. A részecskéket kis méretű rétegelt rétegekből készítették a lítium-ionok mozgási iránya mentén, majd nanométeres vastagságú szénréteggel bevontak.

Az ilyen LiFePO4 nanorészecskék 10 perc alatt képesek feltölteni, és ha a bevonat még mindig módosul, a töltési idő 1-3 percre csökken. A jövőben ez az anyag lesz képes táplálni az elektromos járműveket 10 évig. A technológiailag már lehetséges töltési és kisülési ciklus 5-10 perc alatt, teljes biztonsággal.

A modern tudomány szempontjából az egyenlőség kifejlesztése és felszabadítása hordozható nanoakkumulátor Nem kell sokáig várnia, és a szó csak a fejlesztések széles körű technológiai megvalósítására vonatkozik. Ami az elektromos járművek kilátásait illeti, most már feltételezhetjük, hogy ezek a közeljövőbeli városok fő közlekedési módjává válnak.