Przeczytaj
Akumulator litowo‑jonowy to układ elektryczny, w którym anoda wykonana jest z porowatego węgla, a katoda z tlenków metali przejściowych (spinelespinele), takich jak mangan, kobalt czy nikiel o budowie warstwowej, gdzie w przestrzeniach międzypłaszczyznowych lokują się jony litu. W celu zapobiegania zwierania się elektrod odseparowuje się je za pomocą membran jonoprzepuszczalnych, a całość zalewa się elektrolitem. Rolę elektrolituelektrolitu stanowi ciecz, która zawiera sole litowe – rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników – lub ciało stałe. Podstawą działania baterii litowych są przemiany chemiczne, w wyniku których następuje wędrówka kationów elektrolitu pomiędzy katodą a anodą. Pojedyncze ogniwo akumulatora ma napięcie od 3,3 – 3,8 V.
Budowa ogniwa akumulatora Li‑Ion
Wszystkie akumulatory, niezależnie od rodzaju, zbudowane są z czterech podstawowych elementów: anody, katody, separatora i elektrolitu. Anoda i katoda wykonane są z materiałów umożliwiających zachodzenie odwracalnych reakcji chemicznych, które powodują przemieszczanie się jonów pomiędzy elektrodami.
Separator najczęściej jest wykonany z tworzywa sztucznego i tworzy membranę. Jego zadaniem jest elektryczna izolacja katody. W ogniwach stosuje się separatory wykonane z mikroporowatych materiałów. Zastosowanie tego typu materiałów ma na celu zwiększenie bezpieczeństwa korzystania z akumulatorów. W przypadku przekroczenia temperatury granicznej mikropory ulegają stopieniu, przez co zablokowany zostaje ruch jonów.
Lit metaliczny jest niezwykle reaktywny, dlatego elektrolitami są układy soli litu w rozpuszczalnikach niewodnych. Najczęściej są to , lub w węglanie propylenu (PC), siarczan litu (), węglanie dimetylu.
Ogniwa akumulatora zbudowane są z kilku warstw elektrod zamkniętych w metalowej obudowie. Warstwy te są zwijane, a po osadzeniu w obudowie zostają wypełnione elektrolitem.
Akumulatory litowo‑jonowe opisywane są wyrażeniem Li‑Ion.
Reakcje zachodzące na elektrodach
Reakcje zachodzące na elektrodach akumulatorów są reakcjami odwracalnymi. Jako katodę najczęściej stosuje się interkalowaneinterkalowane litem spinele: kobaltowy (), litowany fosforan żelaza o strukturze oliwinu () oraz manganowy o wzorze ().
Ogólny wzór reakcji zachodzącej na katodzie z tlenkiem LiMOIndeks dolny 22, gdzie M to mangan, kobalt lub nikiel przedstawia się następująco:
Reakcja dla tlenku litowo‑kobaltowego:
Anodę stanowi najczęściej materiał węglowy (np. grafit). Reakcje zachodzące na anodzie przedstawiają się następująco:
Oprócz grafitu wykorzystuje się również inne materiały węglowe o mniej uporządkowanej strukturze, które posiadają podstawowy element budowy grafitu – płaszczyzny grafenowe.
Proces ładowania i rozładowywania
Podczas ładowania jony litu przemieszczają się z węglowej anody do katody z tlenku litu lub innego metalu i są tam przechowywane. Podczas rozładowania proces się odwraca.
Nadmierne rozładowanie powoduje powstanie i CoO:
Nadmierne przeładowanie (do 5,2 V) prowadzi do utworzenia tlenku kobaltu(IV):
Wady i zalety
Akumulatory mają wiele zalet. Ich wprowadzenie położyło podwaliny pod tzw. „bezprzewodowe społeczeństwo”. Dzięki ich właściwościom tj. szybkiemu ładowaniu bez znaczącego wpływu na żywotność oraz trwałości nawet do 10 lat zaczęły być stosowane na szeroką skalę. Dodatkowo można je ładować setki razy i nie wpłynie to na ich wydajność. Wszystkie te zalety wykorzystane zostały do rozwoju telekomunikacji. Dzięki akumulatorom litowo‑jonowym telefony możemy ładować raz na dobę. Wpłynęły też na rozwój motoryzacji proekologicznej (samochody elektryczne) oraz umożliwiły magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych (energia słoneczna i wiatrowa). Ich ważną zaletą jest możliwość stosowania w szerokim zakresie temperatur (-20 °C do +80 °C).
Niestety w akumulatorach tych występuje efekt pamięci ogniw. Zjawiska te obserwuje się w kilku typach akumulatorów. Powodują one utratę rzeczywistej pojemności akumulatora. Podczas użytkowania należy pamiętać, że akumulatory te powinny być ładowane często, i jak najszybciej po rozładowaniu (nie mogą jednak zostać całkowicie rozładowane). Nie akceptują przeładowania, nadmiernego rozładowania oraz przegrzania, co narzuca na ładowarki akumulatorów duże wymagania. Pomimo zastosowania mikroporowatych separatorów akumulatory mogą ulec zapłonowi, wybuchnąć lub rozszczelnić się, jeśli zostaną nagrzane do zbyt wysokiej temperatury. Przechowywanie ich w wysokich temperaturach przyspiesza proces starzenia się akumulatorów.
Dzięki swoim właściwościom znalazły one zastosowanie w laptopach, telefonach komórkowych oraz innych urządzeniach przenośnych, ale także w pojazdach elektrycznych. Wykorzystuje się je również stacjonarnie jako magazyny energii przy odnawialnych źródłach energii.
Słownik
zjawisko wiązania niewielkich cząsteczek wewnątrz cząsteczek związków wielkocząsteczkowych; jest to również wiązanie małych cząsteczek wewnątrz struktur zbudowanych z cząsteczek związanych ze sobą na przykład wiązaniami wodorowymi lub oddziaływaniami van der Waalsa
układ dwóch półogniw umieszczonych w elektrolicie, między którymi zachodzą reakcje chemiczne i powstaje różnica potencjałów; połączenie ze sobą elektrod przewodem elektrycznym umożliwia przepływ prądu
symbol napięcia „U”; różnica potencjałów/pól elektrycznych między dwoma elektrodami
(gr. ánodos „droga w górę”)w ogniwach galwanicznych, czyli źródłach prądu, elektroda ujemna, przez którą prąd elektryczny wpływa do urządzenia w postaci ładunku ujemnego; w odbiornikach prądu elektrycznego anoda jest elektrodą dodatnią
(gr. káthodos „schodzenie”)w ogniwach galwanicznych, czyli źródłach prądu, elektroda dodatnia, przez którą prąd elektryczny wypływa z urządzenia w postaci ładunku ujemnego; w odbiornikach prądu katoda jest elektrodą ujemną
ilość ładunku elektrycznego wyrażona w [Ah], jaką może oddać w pełni sprawny i naładowany akumulator do osiągnięcia stanu normalnego wyładowania w temperaturze 25 °C
(grec. spithes „iskra”) związki z grupy tlenków metali przejściowych, takich jak mangan, kobalt czy nikiel, o budowie warstwowej i ogólnym wzorze MIndeks górny IIMIndeks górny IIIIIndeks dolny 22OIndeks dolny 44, gdzie MIndeks górny II i MIndeks górny IIII są kationami i atomami różnych metali
każda substancja zdolna do jonowego przewodzenia prądu elektrycznego, czyli przekazywania jonowo ładunku między elektrodami
zjawisko chemiczne, które polega na przechodzeniu substancji stałej do roztworu, połączone z reakcją tej substancji z rozpuszczalnikiem lub innym składnikiem roztworu; przykładowym procesem jest roztwarzanie żelaza w kwasie solnym
Bibliografia
Czerwiński A., Akumulatory, baterie, ogniwa. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005.
Gomółka J., Kowalczyk F., Franke A., Współczesne chemiczne źródła prądu,Warszawa 1977.
Linden D., Reddy T. B., Handbook of batteries, New York 1993.