Lithium-iontové baterie

Princip činnosti jakékoli elektrické baterie je akumulace elektrické energie během chemické reakce, ke které dochází, když nabíjecí elektrický proud protéká baterií, a výroba elektrické energie, když vybíjecí proud teče během reverzní chemické reakce.

Reverzibilita chemické reakce v baterii umožňuje opakovaně vybíjet a nabíjet baterii. To je výhoda baterií oproti jednorázovým zdrojům proudu, běžným bateriím, ve kterých je možný pouze vybíjecí proud.

Jako médium pro přenos náboje z jedné bateriové elektrody na druhou se používá elektrolyt - speciální řešení, které je díky chemické reakci s materiálem na elektrodách možné jak přímé, tak i zpětné chemické reakce v baterii, což umožňuje nabíjení baterie a jeho hodnosti.

Dnes je jedním z nejslibnějších typů baterií lithium-iontová baterie. V těchto bateriích hliník působí jako záporná elektroda (katoda) a měď jako kladná elektroda (anoda). Elektrody mohou mít odlišný tvar, zpravidla jde o fólii ve formě válce nebo podlouhlého balení.

Naneste na hliníkovou fólii materiál katody, což může být nejčastěji jeden ze tří: lithium-kobaltičnan LiCoO2, lithium-ferrofosfát LiFePO4 nebo lithium-manganový spinel LiMn2O4 a grafit se nanáší na měděnou fólii. Lithium ferrofosfát LiFePO4 je jediný, v současné době bezpečný katodový materiál, pokud jde o nebezpečí výbuchu a obecně šetrnost k životnímu prostředí.

Polymerní elektrolyty, které mohou díky své plasticitě začlenit lithiové soli do svého složení, umožňují vyrábět lithium-iontové baterie s velkým vnitřním povrchem a téměř jakýmkoli tvarem, což výrazně zvyšuje jak vyrobitelnost výroby, tak celkové rozměry.

Při nabíjení takové baterie se lithiové ionty pohybují elektrolytem a jsou zabudovány do krystalové mřížky grafitu na anodě a vytvářejí lithium grafitová sloučenina LiC6. Během vybíjení dochází k obrácenému procesu - lithiové ionty se pohybují z katody (oxidační činidlo) z anody a elektrony se pohybují ve vnějším obvodu na katodu, což vede k získání elektrické neutrality.

Jmenovité napětí lithium-iontové baterie je 3,6 V, avšak potenciální rozdíl během nabíjení může dosáhnout 4,23 V. V souvislosti s touto skutečností se náboj vyrábí při maximálním přípustném napětí nejvýše 4,2 V.

Některé sloučeniny lithia se mohou snadno vznítit, pokud je napětí překročeno, proto jsou tradičně zabudovány do lithium-iontových baterií regulátory úrovně nabitíkteré neumožňují překročení kritického napětí. Dalším bezpečnostním prvkem je integrovaný ventil pro uvolnění přetlaku uvnitř vaku.

Lithium-iontové baterie již zaujaly své správné místo na trhu přenosných domácích spotřebičů. Jedná se o baterie pro mobilní telefony, fotoaparáty, videokamery, tablety, přehrávače atd.

Fosforečnan lithný LiFePO4 Je považován za nejslibnější katodový materiál díky své šetrnosti k životnímu prostředí. Lithium kobaltitan LiCoO2 je zase toxický a škodlivý pro životní prostředí a pro baterie na jeho bázi lze ze struktury sloučeniny odstranit pouze 50% iontů, protože pokud z ní úplně odstraníte lithium, struktura se stane nestabilní, kobalt přejde do oxidačního stavu + 4 a bude schopen oxidovat kyslík a uvolněný atomový kyslík oxiduje elektrolyt a dojde k explozi.Baterie se zvýšenou kapacitou (založené na LiCoO2) jsou extrémně výbušné.

Lithium-ferofosfát LiFePO4 byl navržen jako katodový materiál baterií pro výkonnější zařízení v roce 1997 John Goodenough.

Fosforečnan lithný je přítomen v zemské kůře a v budoucnu nebude vytvářet žádné ekologické problémy. Kyslík z něj nemůže být uvolněn, protože je velmi silně vázán fosforem za vzniku stabilního fosfátového iontu. Avšak pro možnost použití tohoto materiálu musel být roztříštěn na malé částice, jinak by zůstal izolátorem kvůli jeho velmi nízké vodivosti. Částice byly vyrobeny lamelární s malými velikostmi ve směru pohybu lithných iontů, poté byly potaženy nanometrovou uhlíkovou vrstvou.

Takové nanočástice LiFePO4 jsou schopné nabíjení za 10 minut a pokud je povlak stále modifikován, doba nabíjení se zkrátí na 1-3 minuty. V budoucnu bude tento materiál schopen dodávat energii elektrickým vozidlům po dobu 10 let. Technologicky možný cyklus vybíjení a vybití za 5-10 minut s úplnou bezpečností.

Z pohledu moderní vědy vývoj a uvolnění sudých přenosný nanoakumulátor Netrvá dlouho a čeká se jen na široké technologické provedení vývoje. Pokud jde o vyhlídky na elektrická vozidla, můžeme nyní předpokládat, že se stanou hlavním druhem dopravy ve městech blízké budoucnosti.