Akumulator litowo‑jonowy to układ elektryczny, w którym anoda wykonana jest z porowatego węgla, a katoda z tlenków metali przejściowych (spinelespinelespinele), 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 elektrolituelektrolitelektrolitu 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.

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 ${\text{LiPF}}_6$, ${\text{LiBF}}_4$ lub ${\text{LiClO}}_4$ w węglanie propylenu (PC), siarczan litu (${\text{Li}}_2{\text{SO}}_4$), węglanie dimetylu.

R1VvnMFgKWMZW

Ilustracja przedstawia wnętrze akumulatora. Po lewej stronie znajduje się dodatnia elektroda - katoda wykonana ze związków litu. Na ilustracji to tlenek litu. Ma postać fioletowych i czerwonych kulek. Warstwy naprzemienne. Ujemna elektroda – po prawej stronie - to anoda. Zbudowana jest z grafitu. To tak zwana węglowa anoda. Struktura grafitu tworzy zwarte warstwy zbudowane z sześcioczłonowych pierścieni. Pomiędzy zwartymi strukturami przerwy. Po prawej stronie, przy elektrodzie ujemnej, zaznaczono miedziane wyprowadzenie katody. Dla elektrody dodatniej jest blaszka aluminiowa - aluminiowe wyprowadzenie katody. Między elektrodami znajduje się separator. Wnętrze akumulatora wypełnia elektrolit z jonami litu. Jony litu mają postać nieuporządkowanych pojedynczych kuleczek zanurzonych w elektrolicie.

Ogniwa akumulatora zbudowane są z kilku warstw elektrod zamkniętych w metalowej obudowie. Warstwy te są zwijane, a po osadzeniu w obudowie zostają wypełnione elektrolitem.

RJrqzE4FOlhDg

Na ilustracji pięć nałożonych na siebie cienkich folii: pierwsza to Al (glin), druga - katoda‑tlenek litu i innego materiału, trzecia - separator nasączony elektrolitem, czwarta folia - anoda, np. węgiel lub grafit, ostatnia folia - Cu (miedź).

R13rZDhb88t5e

Na zdjęciu znajduje się akumulator w kształcie walca zbudowany z kilku zwiniętych, cienkich folii.

Akumulatory litowo‑jonowe opisywane są wyrażeniem Li‑Ion.

R19JmSEK6i0Nv

Na zdjęciu podłużna bateria do laptopa. Bateria ma podłużny kształt, z zewnątrz jest wykonana z plastiku.

Rw2RV0IW33137

Na zdjęciu mała, płaska bateria do telefonu.

Reakcje zachodzące na elektrodach akumulatorów są reakcjami odwracalnymi. Jako katodę najczęściej stosuje się interkalowaneinterkalacjainterkalowane litem spinele: kobaltowy (${\text{LiCoO}}_2$), litowany fosforan żelaza o strukturze oliwinu (${\text{LiFePO}}_4$) oraz manganowy o wzorze (${\text{LiMn}}_2{\text{O}}_4$).

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.

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.

RjMVzjMoY4nCe1

Na ilustracji schemat akumulatora. U góry napis: ładowanie. Po lewej stronie napisu strzałka w lewo, nad strzałką e minus, po prawej stronie również strzałka skierowana w lewo, nad nią e minus. Poniżej elektroda dodatnia - po lewej stronie i elektroda ujemna - po prawej stronie. Po lewej stronie większe kulki oznaczające tlen. Pomiędzy nimi mniejsze kulki oznaczające metal i lit. Po prawej stronie akumulatora małe kulki symbolizujące lit. Pomiędzy warstwami z litem znajduje się grafit. Kulki przemieszczają się w stronę elektrody dodatniej. Pomiędzy elektrodami zaznaczono elektrolit.

Rc5kTrZY2dNJA1

Na ilustracji schemat akumulatora. U góry napis: rozładowanie. Po lewej stronie napisu strzałka w prawo, nad strzałką e minus, po prawej stronie również strzałka skierowana w prawo, nad nią e minus. Poniżej elektroda dodatnia - po lewej stronie i elektroda ujemna - po prawej stronie. Po lewej stronie większe kulki oznaczające tlen. Pomiędzy nimi mniejsze kulki oznaczające metal i lit. Lit przemieszcza się w stronę elektrody ujemnej. Po prawej stronie akumulatora małe kulki symbolizujące lit przeplatane warstwami grafitu. Pomiędzy elektrodami zaznaczono elektrolit.

Nadmierne rozładowanie powoduje powstanie ${\text{Li}}_2\text{O}$ i CoO:

Nadmierne przeładowanie (do 5,2 V) prowadzi do utworzenia tlenku kobaltu(IV):

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

interkalacja

interkalacja

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

RJKuHa76SdDGm

Na ilustracji są przeplatające się ze sobą warstwy fioletowych i czarnych kulek. Kulki fioletowe tworzą rzędy, pomiędzy którymi jest pusta przestrzeń. Czarne kulki tworzą zwartą strukturę.

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.