XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Состав элементов литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы, широко применяемые в современной технике, представляют собой электрохимические устройства, основанные на передаче лития между анодом и катодом через электролит. Состав этих аккумуляторов является ключевым аспектом их функционирования.

Анод литий-ионного аккумулятора обычно изготавливается из графита. Графит служит отличным материалом для анода благодаря его способности встраивать литий и обеспечивать стабильность в процессах зарядки и разрядки. Процесс обратимой интеркаляции лития в графитной структуре обеспечивает эффективное хранение энергии.

Катоды литий-ионных аккумуляторов могут быть выполнены из различных материалов, включая литий-кобальтоксид (LiCoO₃), литий-железофосфат (LiFePO₂), литий-марганецоксид (LiMn₂O₃), и других соединений. Эти материалы обладают способностью встраивать литий в свою кристаллическую структуру в процессе зарядки, что обеспечивает высокую энергетическую плотность. [1]

Электролит в литий-ионных аккумуляторах может быть жидким (органические растворы литийных солей) или представлять собой полимерные мембраны. Жидкие электролиты способствуют более высокой электропроводности, в то время как полимерные мембраны обеспечивают гибкость дизайна и уменьшают риск утечек.

Коллекторы служат для сбора электрического тока от анода и катода, обеспечивая его передачу в электрическую цепь. Разъемы предоставляют точки соединения для внешних устройств и зарядных устройств. [7]

Рис.1.1 (Состав литий-ионного аккумулятора) [7]

Принцип их работы:

Ионосоставные источники тока, основанные на литии, приобрели широкое распространение сравнительно давно. Литиевые батарейки утвердились в конце XX века в устройствах, таких как часы, калькуляторы, материнские платы компьютеров, пульты дистанционного управления. С их принципом действия можно провести аналогию с марганец-цинковыми элементами, за исключением того, что литий замещает цинк, а электролит на основе неводных растворителей, таких как пропиленкарбонат (C4H6O3) или хлористый тионил (SOCl2), с литиевой солью вместо водного раствора щелочи или хлористого аммония. Эта соль диссоциирует, образуя ион лития, который служит переносчиком тока в указанном электролите [1].

Однако замена цинка на литий сопровождалась повышением напряжения с полутора до трех вольт, а также существенным увеличением энергоемкости. Химически инертный органический электролит и высокая герметичность конструкции позволили снизить саморазряд до незначительных значений — при передаче микроамперных токов такой батарейке по силам функционировать десятилетиями. Эти технологические характеристики сделали литиевые ионосоставные источники тока весьма привлекательными для применения в различных электронных устройствах, обеспечивая продолжительный срок службы и высокую эффективность.

Запрет на зарядку обычных батареек объясняется особенностями электрохимических процессов, происходящих в них во время зарядки. Несмотря на ожидаемое прохождение тока в зарядном направлении и обратные процессы на электродах, такие как осаждение цинка на отрицательном электроде и окисление активной массы марганца на положительном электроде, происходит разложение воды в электролите. Выделяющиеся газы приводят к деформации корпуса батарейки и выбрасыванию электролита, что может иметь негативные последствия для приборов.

В отличие от этого, литиевые элементы лишены воды [6]. Используемый в них пропиленкарбонат (C4H6O3) как растворитель не подвержен электролизу, что позволяет заряжать такие элементы без возникновения побочных реакций. Однако литиевые аккумуляторы, несмотря на свои преимущества, сталкиваются с проблемой образования дендритов – тонких игольчатых кристаллов лития на аноде. Эти дендриты, аналогичные тем, которые могут образовываться в марганец-цинковых батарейках при попытке их зарядить, могут привести к короткому замыканию, вызывая серьезные аварии. Сепаратор, разделяющий анод и катод, может быть перекрыт дендритом, и происходит перегрев катодной массы, воспламенение лития в кислороде, что в итоге приводит к катастрофе с разрушением аккумулятора.

В исследованиях, проведенных как за рубежом, так и внутри страны, уделялось внимание разработке безопасных литий-ионных аккумуляторов, преодолевая проблему образования дендритов – тонких игольчатых кристаллов лития, представляющих потенциальную угрозу для стабильности аккумуляторов. Использование механически более прочных керамических сепараторов, уникальных методов заряда и специальных добавок в электролит были предприняты для минимизации данной опасности. Тем не менее, несмотря на эти улучшения, дендритообразование оставалось проблемой, делая аккумуляторы непрактичными для широкого использования, особенно в тех случаях, когда превышались размеры и емкость небольших часовых батареек-таблеток.

Два ключевых открытия сыграли решающую роль в преодолении этой проблемы. Во-первых, была выявлена способность некоторых сложных оксидов и сульфидов, содержащих литий, осуществлять обратимый обмен ионами лития на катоде. Во-вторых, обнаружена способность соединений слоистой структуры, таких как графит и дисульфид молибдена, обратимо включать в межслоевое пространство значительные количества лития. Этот процесс предотвращает образование дендритов, захватывая атомы лития сразу после разрядки ионов Li+ на аноде. Эти открытия и технологические инновации внесли значительный вклад в область литий-ионных аккумуляторов, что было отмечено присуждением Нобелевской премии. Лауреаты премии, М.С. Уиттингем, Дж. Гуденаф и Акира Ёсино, внесли важный вклад в понимание и разработку этой технологии.

Принцип функционирования литий-ионного аккумулятора, предложенного Акирой Ёсино в 1991 году, базируется на особых характеристиках ионов лития и их взаимодействии с графитовым анодом и кобальтитом лития на катоде в органическом неводном электролите [1].

Ионы лития, являющиеся практически единственными переносчиками тока в данной системе, заряжаются на поверхности графитового анода в процессе разряда, превращаясь в нейтральные атомы лития. Эти атомы лития немедленно интеркалируются в графит, встраиваясь между слоями его кристаллической решетки и формируя графитид лития, известный как интеркалят. Химически интеркалят проявляет себя как сильный и активный восстановитель.

На катоде, в то время как кобальтит лития (LiCoO2) поставляет ионы лития в раствор, он сам теряет литий, приближаясь к составу двуокиси кобальта. Это превращение делает кобальтит лития сильным и активным окислителем. Разница в электрохимических потенциалах между этим восстановителем и окислителем формирует ЭДС литий-ионного аккумулятора [4].

В процессе разряда литий покидает межслоевое пространство на аноде, передает электрон во внешнюю цепь, становится катионом и возвращается в кристаллическую решетку графита. На катоде катионы лития встраиваются в кристаллическую решетку кобальтита лития, восстанавливая его свойства и принимая электрон из внешней цепи.

Благодаря отсутствию побочных процессов электрохимическая система обладает высокой обратимостью и, следовательно, обеспечивает эффективное использование энергии.

Литий-полимерные аккумуляторы представляют собой разновидность литий-ионных аккумуляторов, отличительной особенностью которых является использование гелеобразного полимерного электролита вместо жидкого. Электрохимические процессы в них аналогичны, и отличительной особенностью является лишь характер электролита. Преимущество заключается в возможности придания аккумуляторам различных форм и помещения их в герметичные полимерные пакеты, что, помимо прочего, способствует повышению плотности энергетического хранения.

Существуют различные типы литий-ионных аккумуляторов, такие как литий-железофосфатные (LiFePO4) и литий-титанатные (Li4Ti5O12), которые, несмотря на использование одинакового принципа действия, отличаются материалами катодной массы и, следовательно, имеют различные напряжения [2]. Удельная емкость этих аккумуляторов может быть ниже по сравнению с классической кобальтовой литий-ионной системой. Тем не менее, они превосходят последнюю в плане срока службы, способности отдавать ток при низких температурах и, согласно заявлениям производителей, по безопасности.

Безопасность представляет собой значительное внимание в контексте литий-ионных аккумуляторов, и считается, что она является ключевой проблемой [5].

Литий-ионные аккумуляторы, несмотря на широкое использование, подвержены риску взрывов и возгораний. Взаимодействие сильного окислителя и восстановителя внутри аккумулятора, разделенных тонким сепаратором, может привести к короткому замыканию и саморазогреву [7], что вызывает взрыв. Процессы заряда также представляют опасность, включая образование металлической фазы и дендритов при перенапряжении. Необходим строгий контроль зарядных параметров и аккуратное обращение с аккумуляторами для минимизации рисков возникновения взрыва [4].

Рис.1.2 (Схема литий-ионного аккумулятора во время цикла разряда

с выделением тепла) [7]

Присутствует некая защита — это устройство, которое представляет собой механизм, прерывающий цепь при повышении давления или температуры внутри аккумулятора. К сожалению, оно не является универсальным средством, поскольку во многих случаях газовыделение и нагрев начинаются после того, как возгорание батареи уже становится неуправляемым.

Кроме того, характерная для LiIon энергетическая плотность составляет приблизительно 250 Вт*ч/кг или 0,9 МДж/кг. Это всего вчетверо меньше энергии, содержащейся в высоковзрывчатых веществах, таких как тротил. В мощных ноутбуках "тротиловый эквивалент" аккумулятора может быть сопоставим с энергией ручной гранаты. Следовательно, с литий-ионными аккумуляторами не следует принимать их легко, поскольку их взрыв может представлять серьезную угрозу жизни и здоровью [3].

На основе обсужденных аспектов литий-ионных аккумуляторов можно сделать следующие логические выводы. Литий-ионные аккумуляторы представляют собой эффективные и широко используемые источники энергии, применяемые в различных электронных устройствах, от мобильных телефонов до ноутбуков. Их преимущества в высоком напряжении, длительном сроке службы и отсутствии эффекта памяти сделали их предпочтительным выбором для многих потребителей.

Однако, несмотря на их популярность, литий-ионные аккумуляторы не лишены определенных рисков и ограничений. Проблемы, такие как возможность образования дендритов при зарядке и риски взрывов, подчеркивают важность соблюдения строгих мер предосторожности при их использовании и зарядке.

Работы ученых, таких как Акира Ёсино и лауреаты Нобелевской премии в области физики и химии, связанные с разработкой безопасных и эффективных материалов для литий-ионных аккумуляторов, играют ключевую роль в совершенствовании этой технологии. Понимание процессов интеркаляции лития в электродах и механизмов предотвращения образования дендритов открывает путь к улучшению безопасности и производительности этих устройств.

Список литературы

1. Яковлев В.Г. Кедринский И.А. Li-ионные батареи, 2012 г. 135 стр.

2. Львов А.Л. Литиевые химические источники тока [Текст] / А.Л. Львов // Соросовский образовательный журнал. – 2011 г.

3. Xu K. Nonaqueous Liquid Electrolytes for Lithium-Based Rechargeable Batteries / K. Xu // Chem. Rev. - 2004. – стр. 4300-4444.

4. Кедринский И.А., Дмитриенко В.Е., Грудянов И.И. Литиевые источники тока. М.: Энергоиздат, 2012, 247 c.

5. Jose L. Tirado, Inorganic materials for the negative electrode of lithium-ion batteries: state of the art and future prospects // Materials Science and Engineering, 2003 г.

6. Современные Li-ion аккумуляторы. Типы и конструкция. Журнал «Компоненты и технологии» № 11 за 2013 год.

Код для цитирования: Скопировать