Як працює літій іонний акумулятор?
Більшість існуючих літій іонних акумуляторів використовують сполуку LiCoO2, як катод або позитивний електрод, і графіт, подібний до того, що міститься в олівцях, як анод або негативний електрод. Більшість батарей містить рідкий електроліт, який дозволяє іонам літію переміщуватися між електродами. Електроліт складається з літієвої солі, наприклад Li[PF6] розчиненої в органічному розчиннику, наприклад, суміші етиленкарбонату і диметилкарбонату. Коли ви розряджаєте батарею, іони літію рухаються від негативного електрода до позитивного електрода; а електрони проходять через електричний ланцюг, утворюючи електричний струм.
Хімічна реакція, яка знаходиться в основі роботи літій іонного акумулятора:
2Li0.5CoO2 + LiC6 ↔ 2LiCoO2 + C6
Коли ви заряджаєте акумулятор, реакція йде в зворотному напрямку. Та насправді, в акумуляторі відбувається набагато більше різноманітних, побічних реакцій. Ці побічні реакції є причиною того, що літій-іонний акумулятор не є довговічним, і з часом втрачає здатність тримати електричний заряд. Електроди і електроліт можуть реагувати між собою, під дією зовнішнього джерела струму, в такому випадку відбуваються побічні хімічні реакції, продуктами яких можуть бути такі сполуки, як LiF, полімери і гази CO2 та H2, що спричиняє здуття батареї.
Використання гібридних катодів в літієвих акумуляторах може забезпечити більшу потужність на одиницю ваги та об’єму батареї.
Дослідники по всьому світу намагаються створити технології, які б поліпшили характеристики акумуляторів, зробивши їх меншими, легшими і водночас потужнішими ніж сучасні моделі. Гонитва за підвищенням ефективності акумуляторів пов’язана з розвитком машинобудування електричних автівок, які вимагають більшого ресурсу без підзарядки.
Нових успіхів в розробці більш ефективних літій-іонних акумуляторів досягли дослідники MIT за фінансової підтримки Китаю (Samsung Advanced та інші). Їм вдалося збільшити ефективність літієвих акумуляторів, використовуючи нові матеріали для створення катода.
Команда дослідників описує свою концепцію як “гібридний” катод. Їх вдосконалення поліпшує акумулятор одразу за двома аспектами. Перший, це збільшення виходу енергії на одиницю маси (гравіметрична енергетична щільність); другий – збільшення виходу енергії на одиницю об’єму (об’ємна енергетична щільність).
Більш докладно робота дослідників описана в журналі Nature Energy, в роботі Ю. Лі, професора ядерних наук і інженерії в Массачусетському технологічному інституті, матеріалознавства і техніки; Вейцзян Сюе, постдокт MIT; та ще 13-и інших учасників дослідницької групи.
Сьогоднішні літій-іонні батареї, як правило, використовують катоди з оксиду перехідного металу. Перспективною альтернативою для зменшення ваги акумулятора є виготовлення катодів з сірки. Сьогодні розробники літій-сульфурових батарей стикаються з необхідністю певного компромісу.
Катоди літій іонних акумуляторних батарей виготовляють за двома типами. Перший тип – інтеркаляційний, другий тип – конверсійний.
Для створення катода інтеркаляційного типу використовують такі сполуки, як літій кобальт(ІІІ) оксид (LiCoO2), які забезпечують високу щільність об’ємної енергії. Ці катоди можуть зберігати свою структуру і розміри при інтеграції атомів літію в їх кристалічну структуру.
Інший тип катода, який називається конверсійним типом, використовує сірку, яка структурно перетворюється і навіть тимчасово розчиняється в електроліті. “Теоретично, такі батареї мають дуже хорошу гравіметричну щільність енергії”, говорить Лі. “Але об’ємна щільність конверсійних катодів низька”, частково тому, що вони вимагають багато додаткових матеріалів, враховуючи надлишок електроліту і графіту, які використовуються для забезпечення електропровідності.
У своїй новій гібридній катодній системі дослідникам вдалося об’єднати обидва підходи. Гібридний катод складається з молібден(IV) сульфіду, який називається Chevrel-phase, і з чистої сірки, які разом забезпечують найкращі переваги обох типів катодів. Дослідники брали частинки молібден(IV) сульфіду і сірки, і стискали їх, щоб зробити твердий катод.
“Це схоже на детонатор і ТНТ у вибухових речовинах, один елемент швидкодіючий, а інший має більш високою енергією на одиницю маси”, говорить Лі.
Серед інших переваг гібридного катоду присутня наявність відносно високої електропровідності, що знижує потребу у великій кількості графіту і знижує загальний об’єм батареї, говорить Лі. Типові сірчані катоди містять від 20% до 30% графіту, новий гібридний катод містить лише 10% графіту.
Ефект від використання гібридного катоду є суттєвим. Сьогодні, комерційні літій-іонні батареї можуть мати щільність енергії близько 250 ват-годин на кілограм і 700 ватт-годин на дм3, тоді як літій-сульфурові батареї мають 400 ват-годин на кілограм, та 400 ватт-годин на дм3. Після оптимізації лабораторної версії акумулятора, його характеристики становитимуть 360 ватт-годин на кілограм і 581 ват-годин на дм3, говорить Лі. Лі також зазначає, що в перспективі, “ми зможемо досягти поліпшення характеристик до 400 ватт-годин на кілограм та 700 ватт-годин на дм3“.
Робота дослідників вже на крок попереду багатьох робіт з цієї теми, які ведуть інші дослідницькі лабораторії.
Замість тестування невеликих зразків акумуляторів, потужністю лише в декілька міліампер-годин, дослідники виготовили стандартний тришаровий акумуляторний елемент потужністю 1000 міліампер-годин. Цей експериментальний зразок акумулятора нового типу, можна порівняти з деякими комерційними батареями. Зразок повноцінної комерційної потужності підтверджує, що новий пристрій повністю відповідає його прогнозованим характеристикам.
Проте, експериментальний зразок не має ресурсу довговічності, який мають сучасні літій-іонні акумулятори, з точки зору кількості циклів зарядки-розрядки. Але цей недолік не є хімічною проблемою катода, а пов’язан з його технологічною структурою – і “ми працюємо над цим”, говорить Лі. Навіть у своєму нинішньому вигляді, “нашу літієву батарею вже можна використовувати, наприклад в безпілотниках з великою дальністю польоту, або ракетах”, де і вага, і об’єм мають більше значення, ніж довговічність. “Я думаю, що наша робота відкриває нові обрії для досліджень”, говорить Лі.
Робота була підтримана Інститутом технологій Samsung Advanced, Національною науково-дослідною програмою з ключових технологій Китаю, Національним науковим фондом Китаю та кафедрою матеріалознавства і техніки МІТ.
До складу команди входили також професор Джинг Конг та інші співробітники MIT, а також дослідники з Китайської академії наук у Пекіні, лабораторія матеріалів озера Суншань в провінції Гуандун, Китай, Samsung Advanced Institute of Technology в Берлінгтоні, Массачусетс і університет Тонджі в Шанхаї.
Для обговорення теми, реєструйтеся на Форумі Хіміків і створюйте відповідну тему.