Batteries lithium-ion

Le principe de fonctionnement de toute batterie électrique est l'accumulation d'énergie électrique pendant la réaction chimique qui se produit lorsque le courant électrique de charge traverse la batterie et la production d'énergie électrique lorsque le courant de décharge circule pendant la réaction chimique inverse.

La réversibilité de la réaction chimique dans la batterie vous permet de décharger et de charger à plusieurs reprises la batterie. C'est l'avantage des batteries par rapport aux sources de courant jetables, les batteries ordinaires, dans lesquelles seul le courant de décharge est possible.

En tant que moyen de transfert de charge d'une électrode de batterie à une autre, un électrolyte est utilisé - une solution spéciale, en raison de la réaction chimique de laquelle avec le matériau sur les électrodes, des réactions chimiques directes et inverses dans la batterie sont possibles, ce qui permet de charger la batterie et son rang.

Aujourd'hui, l'un des types de batteries les plus prometteurs est batterie lithium-ion. Dans ces batteries, l'aluminium agit comme électrode négative (cathode) et le cuivre comme électrode positive (anode). Les électrodes peuvent avoir une forme différente, en règle générale, il s'agit d'une feuille sous la forme d'un cylindre ou d'un emballage oblong.

Appliquer sur du papier aluminium matériau de cathode, qui peut le plus souvent être l'un des trois: le cobaltate de lithium LiCoO2, le ferrophosphate de lithium LiFePO4 ou le spinelle de lithium et de manganèse LiMn2O4, et du graphite est appliqué sur une feuille de cuivre. Le ferrophosphate de lithium LiFePO4 est le seul matériau de cathode actuellement sûr en termes de risque d'explosion et de respect de l'environnement en général.

Les électrolytes polymères qui peuvent incorporer des sels de lithium dans leur composition, en raison de leur plasticité, permettent de produire des batteries lithium-ion avec une grande surface interne et presque n'importe quelle forme, ce qui augmente considérablement à la fois la fabricabilité de la production et les dimensions globales.

Au cours du chargement d'une telle batterie, les ions lithium se déplacent à travers l'électrolyte et sont intégrés dans le réseau cristallin de graphite sur l'anode, formant composé de graphite et de lithium LiC6. Pendant la décharge, le processus inverse se produit - les ions lithium se déplacent vers la cathode (oxydant) de l'anode, et les électrons se déplacent vers la cathode dans le circuit externe, en conséquence, le processus acquiert la neutralité électrique.

La tension nominale d'une batterie lithium-ion est de 3,6 volts, cependant, la différence de potentiel pendant la charge peut atteindre 4,23 volts. En relation avec ce fait, la charge est produite à la tension maximale admissible ne dépassant pas 4,2 volts.

Certains composés de lithium peuvent facilement s'enflammer si la tension est dépassée, donc, traditionnellement, ils sont intégrés dans des batteries lithium-ion contrôleurs de niveau de chargequi ne permettent pas de dépasser la tension critique. Une autre caractéristique de sécurité est la valve intégrée pour soulager la surpression à l'intérieur du sac.

Les batteries lithium-ion ont déjà pris la place qui leur revient sur le marché des appareils électroménagers portables. Ce sont des batteries pour téléphones portables, appareils photo, caméscopes, tablettes, lecteurs, etc.

Ferrophosphate de lithium LiFePO4 Il est considéré comme le matériau de cathode le plus prometteur en raison de son respect de l'environnement. Le lithium cobaltate LiCoO2, à son tour, est toxique et nocif pour l'environnement, et pour les batteries basées sur lui, seulement 50% des ions peuvent être éliminés de la structure du composé, car si vous en retirez complètement le lithium, la structure deviendra instable, le cobalt passera à l'état d'oxydation + 4 et pourra oxyder l'oxygène, et l'oxygène atomique libéré oxydera l'électrolyte et une explosion se produira.Les batteries à capacité accrue (à base de LiCoO2) sont extrêmement explosives.

Le ferrophosphate de lithium LiFePO4 a été proposé comme matériau de cathode des batteries pour les appareils plus puissants en 1997 par John Goodenough.

Le ferrophosphate de lithium est présent dans la croûte terrestre et ne créera pas de problèmes environnementaux à l'avenir. L'oxygène ne peut pas en être libéré, car il est très fortement lié par le phosphore avec la formation d'un ion phosphate stable. Cependant, pour la possibilité d'utiliser ce matériau, il a dû être fragmenté en petites particules, sinon il resterait un isolant en raison de sa très faible conductivité. Les particules ont été rendues lamellaires de petites tailles le long de la direction du mouvement des ions lithium, puis recouvertes d'une couche de carbone d'épaisseur nanométrique.

Ces nanoparticules de LiFePO4 sont capables de se charger en 10 minutes, et si le revêtement est toujours modifié, le temps de charge sera réduit à 1-3 minutes. À l'avenir, c'est ce matériau qui pourra alimenter les véhicules électriques pendant 10 ans. Cycle de charge-décharge déjà technologiquement possible en 5-10 minutes en toute sécurité.

Du point de vue de la science moderne, le développement et la publication de nanoaccumulateur portable Il ne faudra pas longtemps pour attendre, et le mot n'est que pour la large mise en œuvre technologique des développements. Quant aux perspectives des véhicules électriques, on peut d'ores et déjà supposer qu'ils deviendront le principal mode de transport dans les villes du futur proche.