Литиево-йонна батерия

Литиевойонна батерия Varta
Енергия/маса - 160 Wh/kg
Енергия/обем - 270 Wh/l
Мощност/маса - 1800 W/kg
Ефективност на зареждане - 99,9%
Енергия/цена - 2,8-5 W/щ.д.
Саморазряд - 5-10% месец
Живот (време) - 24-36 месеца
Живот (цикли) - 1200 цикъла
Номинално напрежение - 3,6/3,7 V

Литиево-йонната батерия (с популярно съкращение Li-ion) е вид акумулаторна батерия, в която литиеви йони се придвижват между анода и катода. При зареждане йоните се придвижват в посока от анода към катода, а при разреждане — от катода към анода.

Литиево-йонните батерии се използват често в потребителските електроуреди. Понастоящем те са един от най-популярните видове батерии при преносимите електронни устройства. Този вид батерии има най-високо съотношение енергия/маса, не страда от ефект на памет и бавно губи своя заряд, когато не се използва.

Трите основни функционални компонента на литиево-йонната батерия са анод, катод и електролит, за направата на които могат да се използват различни материали. Най-популярният материал за катода е графита. За анод за разлика от първоначално използваният титаниев дисулфид (TiS₂) сега се използват нови материали: слоести оксиди (напр. литиево-кобалтов оксид); полианионни материали (напр. литиево-железен фосфат); или шпинел (напр. литиево-манганов оксид). В зависимост от избраните материали за катод, анод и електролит напрежението, капацитетът, животът и безопасността на литиевойонните батерии могат да се изменят в широки граници.

Литиево-йонните батерии не трябва да се бъркат с литиевите батерии. Основната разлика между двете е, че в литиевите батерии литият се използва като основен материал, докато в литиево-йонните батерии той участва като прибавка към материала, от който е изработен анода.

Устройство

Функционална схема на литиевойонна батерия (катод: LiCoO₂; анод: Li-Graphite).

Циліндричні клітці перед закриттям (18650)

Литиевите йони мигрират както в материала на анода, така и в материала на катода. Този процес на мигриране в посока към анода или катода се нарича вмъкване, а обратният процес, при който литиевите йони мигрират навън от анода или катода се нарича извличане. При зареждане на батерията, литият се извлича от анода и се вмъква в катода. При разреждане се извършва противоположния процес - литият се извлича от катода и се вмъква в анода.

Положителният електрод (анодът) на традиционната литиево-йонна батерия е изработен от метален окис, а отрицателният електрод (катодът) е от въглерод. Електролитът представлява литиева сол в органичен разтворител. Използват се:

Положителен електрод

• LiCoO₂
• LiNiO₂
• LiNi_1−xCo_xO₂
• LiNi_0,85Co_0,1Al_0,05O₂
• LiNi_0,33Co_0,33Mn_0,33O₂
• LiMn₂O₄ (Шпинел)
• LiFePO₄ (Литиев железен фосфат за Литиево-желязофосфатен акумулатор)

Отрицателен електрод

• Графит (за литиево вмъкване)
• Нанокристали, аморфни силициеви (за литиево вмъкване)
• Li₄Ti₅O₁₂ (Литиево-титанов окис)
• SiO₂ (Силициев диоксид)

Електролит

• Соли, като LiPF₆ (Литиев хексафлуорфосфат) или LiBF₄ (по-рядко) в сух разтворители (напр. етилен-карбонат, диметил-карбонат и др.)
• Полимер от Поли (винилиден флуорид) (PVDF) или Поли (винилиден флуорид-ко-хексафлуоропропен) (PVDF-HFP)
• Li₃PO₄N (Литиев нитрофосфат)

Полезна работа се извлича само когато електрони преминат през външна верига. Затова значение имат само полуреакциите. Реакциите са записани в молове, затова се използва коефициентът $x$. Полуреакцията за анода (при право зареждане) е:

$\mathrm{LiCoO_2} \leftrightarrows \mathrm{Li}_{1-x}\mathrm{CoO_2} + x\mathrm{Li^+} + x\mathrm{e^-}$

Полуреакцията за катода е:

$x\mathrm{Li^+} + x\mathrm{e^-} + 6\mathrm{C} \leftrightarrows \mathrm{Li_xC_6}$

Сумарната реакция има ограничения. Преразреждане ще пренасити литиево-кобалтовия окис, което довежда до образуване на литиев окис вероятно чрез следната необратима реакция:

$\mathrm{Li^+} + \mathrm{LiCoO_2} \rightarrow \mathrm{Li_2O} + \mathrm{CoO}$

Презареждане до над 5,2V води до синтез на кобалт(IV) окис, което се наблюдава чрез рентгенова дифракция

$\mathrm{LiCoO_2} \rightarrow \mathrm{Li^+} + \mathrm{CoO_2}$

Важно е да се отбележи, че самите литиеви йони не се свързват с кислорода; вместо това, в литиево-йонната батерия литиевите йони се транспортират между анода и катода заедно с преходния метал кобалт под формата на $\mathrm{Li}_x \mathrm{Co} \mathrm{O}_2$, който се окислява, преминавайки при зареждане от Co³⁺ в Co⁴⁺ и обратно от Co⁴⁺ в Co³⁺ при разреждане.

Външни препратки

• ((en)) How to prolong lithium-based batteries