Литиевойонна батерия

от Уикипедия, свободната енциклопедия
(пренасочване от Литиево-йонна батерия)
Направо към: навигация, търсене
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

Литиевойонната 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.

Литиевойонните 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 (нисък саморазряд).

Трите основни функционални компонента на литиевойонната батерия са анод, катод и електролит, за направата на които могат да се използват различни материали. Най-популярният материал за анода е графитът. За катод, за разлика от първоначално използвания 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.

През 2014 г. доставяните на производителите на смартфони батерии имат 20% по-висок капацитет, отколкото наличните по-рано, като анодът им е по-често силициев, отколкото графитен.

Литиевойонните 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 литиевойонните батерии той участва като прибавка към материала, от който е изработен анодът.

Устройство[редактиране | edit source]

Функционална схема на литиевойонна батерия (катод: LiCoO2; анод: Li-графит).
Цилиндрична клетка преди затваряне

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 (катодът) на традиционната литиевойонна батерия е изработен от метален оксид, а отрицателният електрод (анодът) е от графит. Електролитът представлява литиева сол в органичен разтворител. Използват се:

Положителен електрод
Отрицателен електрод
  • Графит (за литиево вмъкване)
  • Нанокристали, аморфни силициеви (за литиево вмъкване)
  • Li4Ti5O12 (Литиево-титанов оксид)
  • SiO2 (Силициев диоксид)
Електролит

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 оксид, което довежда до образуване на литиев оксид[1] вероятно чрез следната необратима реакция:

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

Презареждане до над 4,2 V води до синтез на кобалт(IV) оксид, което се наблюдава чрез рентгенова дифракция[2]

 \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 литиевойонната 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.

Източници[редактиране | edit source]

  1. H.C. Choi et al., J. Phys. Chem. B 107 p5806(2003)
  2. G.G. Amatucci, J.M. Tarascon, L.C. Kein J. Electrochemical Society 143 p1114 1996

Външни препратки[редактиране | edit source]