Електричні акумулятори – це гальванічні елементи, які на основі зворотних електрохімічних реакцій можуть багаторазово накопичувати електричну енергію і віддавати її для споживання.

На відміну від первинних (простих) гальванічних елементів акумулятори є вторинними хімічними джерелами струму.

Електроди акумулятора, занурені в розчин електроліту, поляризуються шляхом зарядки, тобто шляхом підведення ззовні електричної енергії, внаслідок чого вони набувають різні потенціали. Під поляризацією електродів розуміємо зміну різниці потенціалів між електродами під дією зовнішнього струму.

При споживанні електроенергії від акумулятора поляризація електродів знижується. Цей процес називається розрядка акумулятора.

Зарядка та розрядка це електрохімічні процеси, які протікають в протилежному напрямку.

При зарядці акумулятора електрична енергія перетворюється в хімічну, а при його розрядці хімічна енергія переходить в електричну.

Таким чином, акумулятори дають можливість накопичувати електричну енергію в формі хімічної енергії (звідси і походження терміна «акумулятор» – накопичувач).

Найбільш широке застосування мають свинцеві, кадмій-нікелеві, залізо-нікелеві, літієві акумулятори. В авіаційній та космічній промисловості використовують цинк-срібні акумулятори.

Свинцевий акумулятор складається з свинцевого електрода – катода і свинцевого електрода – анода, вкритого шаром плюмбум(IV) оксидом PbO₂; електроди занурені в сульфатну кислоту. В свинцевому акумулятор іреалізується гальванічний ланцюг:

Pb | H₂SO₄ | PbO₂

Хімічні реакції, що протікають в свинцевому акумуляторі, складні.

Електродні напівреакції засновані на переходах між різними ступенями окиснення плюмбуму:

Катод

PbSO₄ + 2e^– ⇄ Pb⁰ + SO₄^2-

Анод

Pb²⁺ + 2H₂O – 2е^– ⇄ PbO₂ + 4H⁺

Сумарна реакція

2PbSO₄ + 2H₂O ⇄ Pb + PbO₂ + 2H₂O + 2H₂SO₄

Кадмій-нікелевий акумулятор складається з кадмієвого електрода – катода і електрода з NiO(OH) – анода, електроди занурені в розчин калій гідроскиду.

В кадмій-нікелевому акумуляторі реалізується гальванічний ланцюг:

Cd | KOH | NiO(OH) 

Сумарна електрохімічна реакція: 

2Ni(OH)₂ + Cd(OH)₂ ⇄ 2NiO(OH) + Cd + 2H₂O

В залізо-нікелевому акумуляторі замість електрода з кадмію використовується залізний електрод.

Літій-іонні акумулятори (як працює літій-іонний акумулятор)

В сучасному світі Літій-іонні акумулятори є найпоширенішими засобами накопичення і зберігання електроенергії. Смартфони, мобільні телефони, ноутбуки, різноманітні електронні гаджети, дрони, електромобілі і електролітаки, станції накопичення електроенергії від сонця, вітру і інших альтернативних джерел енергії – всюди використовують літій-іонні акумулятори.

В 2019 компанія Tesla збільшила пробіг своїх електрокарів на одному заряді до 600 км. В 2017 році, на австралійській вітроелектростанції Tesla встановила літій-іонний акумулятор потужністю 130 МВт*год.

Як і інші акумулятори, літій-іонні акумулятори, які ми бачимо в побуті, складаються з кількох акумуляторних комірок, які з’єднані послідовно в загальному корпусі акумулятора.

Кожна акумуляторна комірка має анод і катод, які мають доволі витончену будову, з великою поверхневою площею і складною структурною будовою.

Сполуки які використовують для виготовлення аноду і катоду містять атоми літію.

Робота літій-іонного акумулятора (Sony 1990 рік).

Розряд літій-іонного акумулятора.

На аноді відбувається реакція окиснення, утворюються позитивно заряджені катіони літію Li⁺, негативно заряджені електрони, незаряджений матеріал аноду (графіт C₆).

Анод (-) – реакція окиснення

LiC₆ ⇄ C₆ + Li⁺ + e^–

Іони Li⁺, які утворилися на аноді, транспортуються в бік катоду через електроліт, а електрони рухаються в бік катоду через зовнішний ланцюг (металевий електропровідник). На катоді відбувається відновлення катодного матеріалу (кобальт(IV) оксид) сполуки CoO₂.

Катод (+) – реакція відновлення

CoO₂ + Li⁺ + e^– ⇄ LiCoO₂

Електроліт і зовнішний ланцюг (металевий електропровідник) є середовищем для транспорту Li⁺ і e^–, і в електрохімічних реакціях участі не приймають.

Сумарна електрохімічна реакція роботи літій-іонного акумулятора на розряд:

LiC₆ + CoO₂ ⇄ C₆ + LiCoO₂

Заряд літій-іонного акумулятора.

Під час зарядки літій-іонного акумулятора, електрохімічні реакції відбуваються у зворотному напрямку:

Анод – під’єднується позитивний полюс зовнішнього джерела електричної енергії:

C₆ + Li⁺ + e^– ⇄ LiC₆

Катод – під’єднується негативний полюс зовнішнього джерела електричної енергії:

LiCoO₂ ⇄ CoO₂ + Li⁺ + e^–

Сумарна електрохімічна реакція зарядки літій-іонного акумулятора:

C₆ + LiCoO₂ ⇄ LiC₆ + CoO₂

Одночасно з основними електрохімічними реакціями, які описують роботу літій-іонного акумулятора, відбуваються побічні електрохімічні і хімічні процеси, які зазвичай є негативними і руйнівними для літій-іонного акумулятора.

Наприклад, при перерозряді (занадто сильна розрядка акумулятора) літій-іонного акумулятора збільшується ймовірність протікання незворотної хімічної реакції, наслідком якої стає псування літій-іонного акумулятора:

Li⁺ + e^– + LiCoO₂ → Li₂O + CoO

Літій оксид і кобальт(II) оксид не приймають участь в електрохімічних реакціях роботи літій-іонного акумулятора, їх накопичення призводить до зменшення активних сполук катоді, акумулятор швидко розряджається і швидко заряджається.

При надмірній зарядці літій-іонного акумулятора, наприклад до 5,20 В, відбувається незворотна реакція, яка так само призводить до псування літій-іонного акумулятору:

LiCoO₂ → Li⁺ + CoO₂ + e^–

В літій-іонному акумуляторі утворення і транспортування Li⁺ та e- відбувається за участю сполук перехідного металу кобальта який і приймає участь в реакціях окиснення та відновлення. В LiCoO2 від Co^+III до Co^+IV під час зарядки і навпаки, від Co^+IV до Co^+III під час розрядки.

В літій-іонні акумуляторах використовуються рідкі або тверді електроліти.

Рідкі неводні електроліти дозволяють домогтися більшого електродного потенціалу ніж рідкі водні електроліти. В якості рідких електролітів використовують розчини літієвих солей LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄ в органічному розчиннику, наприклад етиленкарбонат, диметилкарбонат та діетилкарбонат. Рідкі електроліти є середовищем транспортування іонів Li⁺ від одного електроду до іншого.

В якості твердих електролітів використовують спеціальну кристалічно або аморфну кераміку.

Тверді керамічні електроліти – це переважно оксиди літію, які дозволяють транспортувати іони літію через тверде тіло завдяки наявності літію в кристалічній решітці. Основна перевага твердих електролітів перед рідкими електролітами полягає в тому, що немає ризику протікання електроліту.

Кристалічні тверді керамічні електроліти – це високо упорядковані сполуки з кристалічними структурами, які зазвичай мають іонно-транспортні канали. Поширеними кристалічними керамічними електролітами є літієві суперіонні провідники (LISICON) та перовскіти .

Аморфні тверді керамічні електроліти – це аморфні атомні структури, що складаються з елементів, схожих на кристалічні керамічні тверді електроліти, але мають більш високу провідність в цілому через більш високу провідність на межі фаз між гранулами сполуки.

Як аморфні, так і кристалічні керамічні електроліти можна зробити більш іонно провідними, замінивши оксиген на сульфур. Більший радіус сульфуру та більша здатність до поляризації дозволяють підвищити провідність для іонів літію.

З розвитком технологій, електропровідність твердих електролітів наближається до електропровідності рідких електролітів.

---