Lítium-iónové batérie

Princíp činnosti akejkoľvek elektrickej batérie je akumulácia elektrickej energie počas chemickej reakcie, ktorá nastane, keď nabíjací elektrický prúd preteká batériou, a výroba elektrickej energie, keď vybíjací prúd tečie počas reverznej chemickej reakcie.

Reverzibilita chemickej reakcie v batérii vám umožňuje opakovane vybíjať a nabíjať batériu. To je výhoda batérií oproti jednorazovým zdrojom prúdu, obyčajných batérií, v ktorých je možný iba vybíjací prúd.

Ako médium na prenos náboja z jednej elektródy batérie na druhú sa používa elektrolyt - špeciálne riešenie, vďaka chemickej reakcii s materiálom na elektródach, sú v batérii možné priame aj reverzné chemické reakcie, ktoré umožňujú nabíjať batériu a jeho hodnosť.

Dnes je jedným z najsľubnejších typov batérií lítium-iónová batéria, V týchto batériách hliník pôsobí ako záporná elektróda (katóda) a meď ako pozitívna elektróda (anóda). Elektródy môžu mať odlišný tvar, spravidla ide o fóliu vo forme valca alebo podlhovastého balenia.

Naneste na hliníkovú fóliu materiál katódy, ktorý najčastejšie môže byť jeden z troch: lítium-kobaltičnan LiCoO2, lítium-ferofosfát LiFeP04 alebo lítium-mangánový spinel LiMn204 a grafit sa nanáša na medenú fóliu. Fosforečnan lítno-LiFePO4 je jediný, v súčasnosti bezpečný katódový materiál, pokiaľ ide o nebezpečenstvo výbuchu a všeobecne ohľaduplnosť voči životnému prostrediu.

Polymérne elektrolyty, ktoré môžu vďaka svojej plasticite inkorporovať do svojho zloženia soli lítia, umožňujú vyrábať lítium-iónové batérie s veľkým vnútorným povrchom a takmer akýmkoľvek tvarom, čo významne zvyšuje spracovateľnosť aj celkové rozmery.

V procese nabíjania takejto batérie sa lítiové ióny pohybujú elektrolytom a sú vložené do kryštálovej mriežky grafitu na anóde, čím sa vytvára lítium grafitová zlúčenina LiC6, Počas vybíjania dochádza k spätnému procesu - lítiové ióny sa pohybujú z katódy (oxidátora) z anódy a elektróny sa sťahujú do katódy v externom obvode, čím sa získa elektrická neutralita.

Menovité napätie lítium-iónovej batérie je 3,6 voltov, avšak potenciálny rozdiel počas nabíjania môže dosiahnuť 4,23 voltov. V súvislosti s touto skutočnosťou sa náboj vyrába pri maximálnom povolenom napätí nepresahujúcom 4,2 voltu.

Niektoré zlúčeniny lítia sa môžu ľahko vznietiť, ak je prekročené napätie, preto sú tradične zabudované do lítium-iónových batérií regulátory úrovne nabitiaktoré neumožňujú prekročenie kritického napätia. Ďalším bezpečnostným prvkom je integrovaný ventil na uvoľnenie nadmerného tlaku vo vrecku.

Lítium-iónové batérie už získali svoje správne miesto na trhu prenosných domácich spotrebičov. Sú to batérie pre mobilné telefóny, fotoaparáty, videokamery, tablety, prehrávače atď.

Lítiumfosfát LiFePO4 Je považovaný za najsľubnejší katódový materiál, pretože je šetrný k životnému prostrediu. Lítium-kobaltnatý LiCoO2 je zase toxický a škodlivý pre životné prostredie a pre batérie na jeho báze je možné zo štruktúry zlúčeniny odstrániť iba 50% iónov, pretože ak z neho úplne odstránite lítium, štruktúra sa stane nestabilnou, kobalt prejde do oxidačného stavu + 4 a bude schopný oxidovať kyslík a uvoľnený atómový kyslík oxiduje elektrolyt a dôjde k výbuchu.Batérie so zvýšenou kapacitou (založené na LiCoO2) sú mimoriadne výbušné.

Lítium ferofosfát LiFePO4 bol navrhnutý ako katódový materiál batérií pre výkonnejšie zariadenia v roku 1997 John Goodenough.

Fosforečnan lítny je prítomný v zemskej kôre a v budúcnosti nebude vytvárať žiadne environmentálne problémy. Kyslík sa z neho nemôže uvoľňovať, pretože je veľmi silno viazaný fosforom za vzniku stabilného fosfátového iónu. Avšak kvôli možnosti použitia tohto materiálu sa musel fragmentovať na malé častice, inak by zostal izolátorom kvôli jeho veľmi nízkej vodivosti. Častice sa vyrobili lamelárne s malými rozmermi v smere pohybu iónov lítia a potom sa potiahli uhlíkovou vrstvou s hrúbkou nanometrov.

Takéto nanočastice LiFePO4 sú schopné nabíjať sa za 10 minút a ak je poťah stále modifikovaný, doba nabíjania sa skráti na 1-3 minúty. V budúcnosti bude tento materiál schopný dodávať energiu elektrickým vozidlám po dobu 10 rokov. Už technologicky možný cyklus nabíjania a vybíjania za 5 - 10 minút s úplnou bezpečnosťou.

Z hľadiska modernej vedy vývoj a uvoľnenie nepárny prenosný nanoakumulátor Netrvá dlho a čaká sa len na širokú technologickú implementáciu vývoja. Pokiaľ ide o vyhliadky elektrických vozidiel, teraz môžeme predpokladať, že sa stanú hlavným druhom dopravy v mestách blízkej budúcnosti.