Lithium-ion batterijen

Het werkingsprincipe van elke elektrische batterij is de accumulatie van elektrische energie tijdens een chemische reactie die optreedt wanneer een laadstroom door een batterij vloeit, en de opwekking van elektrische energie wanneer een ontlaadstroom vloeit tijdens een omgekeerde chemische reactie.

Door de omkeerbaarheid van de chemische reactie in de batterij kunt u de batterij herhaaldelijk ontladen en opladen. Dit is het voordeel van batterijen boven wegwerpstroombronnen, gewone batterijen, waarbij alleen ontlaadstroom mogelijk is.

Als het medium voor ladingoverdracht van de ene batterijelektrode naar de andere, wordt een elektrolyt gebruikt - een speciale oplossing, vanwege de chemische reactie waarvan met het materiaal op de elektroden zowel directe als omgekeerde chemische reacties in de batterij mogelijk zijn, waardoor de batterij kan worden opgeladen en zijn rang.

Vandaag is een van de meest veelbelovende soorten batterijen lithium-ionbatterij. In deze batterijen fungeert aluminium als een negatieve elektrode (kathode) en koper als een positieve elektrode (anode). De elektroden kunnen een andere vorm hebben, meestal een folie in de vorm van een cilinder of een langwerpig pakket.

Breng aan op aluminiumfolie kathodemateriaal, die meestal een van de drie kan zijn: lithiumkobaltaat LiCoO2, lithiumferrofosfaat LiFePO4 of lithium-mangaan spinel LiMn2O4 en grafiet wordt op een koperfolie aangebracht. Lithiumferrofosfaat LiFePO4 is het enige, momenteel veilige kathodemateriaal in termen van explosiegevaar en milieuvriendelijkheid in het algemeen.

Polymeer elektrolyten die lithiumzouten in hun samenstelling kunnen opnemen, vanwege hun plasticiteit, maken het mogelijk om lithium-ionbatterijen met een groot inwendig oppervlak en bijna elke vorm te produceren, en dit verhoogt zowel de maakbaarheid van de productie als de totale afmetingen aanzienlijk.

Tijdens het opladen van een dergelijke batterij bewegen lithiumionen door de elektrolyt en worden ze ingebed in het kristalrooster van grafiet op de anode, waardoor lithiumgrafietverbinding LiC6. Tijdens de ontlading treedt het omgekeerde proces op - lithiumionen bewegen van de anode naar de kathode (oxidatiemiddel) en elektronen bewegen in het externe circuit naar de kathode, waardoor het proces elektrische neutraliteit verwerft.

De nominale spanning van een lithium-ionbatterij is 3,6 volt, maar het potentiaalverschil tijdens het opladen kan 4,23 volt bereiken. In verband hiermee wordt de lading geproduceerd met de maximaal toelaatbare spanning van niet meer dan 4,2 volt.

Sommige lithiumverbindingen kunnen gemakkelijk ontbranden als de spanning wordt overschreden, daarom worden ze traditioneel ingebouwd in lithium-ionbatterijen laadniveau controllersdie het overschrijden van de kritische spanning niet toestaan. Een ander veiligheidskenmerk is de geïntegreerde klep om overdruk in de zak te ontlasten.

Lithium-ionbatterijen hebben al hun rechtmatige plaats ingenomen op de markt van draagbare huishoudelijke apparaten. Dit zijn batterijen voor mobiele telefoons, camera's, camcorders, tablets, spelers, enz.

Lithium Ferrofosfaat LiFePO4 Het wordt beschouwd als het meest veelbelovende kathodemateriaal vanwege zijn milieuvriendelijkheid. Lithium-kobaltaat LiCoO2 is op zijn beurt giftig en schadelijk voor het milieu, en voor batterijen op basis daarvan kan slechts 50% van de ionen worden geëxtraheerd uit de structuur van de verbinding, omdat als u volledig lithium verwijdert, de structuur onstabiel wordt, kobalt in oxidatietoestand gaat + 4 en zal zuurstof kunnen oxideren, en de vrijgekomen atomaire zuurstof zal de elektrolyt oxideren en er zal een explosie plaatsvinden.Batterijen met verhoogde capaciteit (op basis van LiCoO2) zijn extreem explosief.

Lithiumferrofosfaat LiFePO4 werd in 1997 door John Goodenough voorgesteld als het kathodemateriaal van batterijen voor krachtigere apparaten.

Lithiumferrofosfaat is aanwezig in de aardkorst en zal in de toekomst geen milieuproblemen veroorzaken. Er kan geen zuurstof uit worden vrijgelaten, omdat het allemaal zeer sterk wordt gebonden door fosfor met de vorming van een stabiel fosfaation. Voor de mogelijkheid om dit materiaal te gebruiken, moest het echter in kleine deeltjes worden gefragmenteerd, anders zou het een isolator blijven vanwege de zeer lage geleidbaarheid. Deeltjes werden lamellair gemaakt met kleine afmetingen langs de bewegingsrichting van lithiumionen, vervolgens bekleed met een nanometer dikke koolstoflaag.

Dergelijke LiFePO4-nanodeeltjes kunnen in 10 minuten opladen en als de coating nog steeds wordt gemodificeerd, wordt de oplaadtijd teruggebracht tot 1-3 minuten. In de toekomst is het dit materiaal dat elektrische voertuigen gedurende 10 jaar van stroom kan voorzien. Al technologisch mogelijke laad / ontlaadcyclus in 5-10 minuten met volledige veiligheid.

Vanuit het oogpunt van de moderne wetenschap, de ontwikkeling en release van zelfs draagbare nanoaccumulator Het zal niet lang duren om te wachten, en het woord is alleen voor de brede technologische implementatie van ontwikkelingen. Wat de vooruitzichten van elektrische voertuigen betreft, kunnen we nu al aannemen dat deze de belangrijkste vervoerswijze zullen worden in de steden van de nabije toekomst.