Литиум-јонски батерии

Тие овозможуваат складирање и ослободување електрична енергија преку контролирани хемиски и електрохемиски процеси. Денес се користат во мобилни телефони, лаптопи, електрични автомобили, електрични алати, медицински уреди и системи за складирање енергија добиена од сонцето и ветерот.

Нивната важност произлегува од високата енергетска густина, релативно малата маса, можноста за повторно полнење и долгото работно време. За разлика од некои постари батериски технологии, литиум-јонските батерии можат да складираат значително количество енергија во мал простор.

Сепак, нивната работа се заснова на сложени процеси што вклучуваат движење на литиумови јони, пренесување електрони, реакции на електродите и транспорт на јони низ електролитот. Истите хемиски својства што овозможуваат високи перформанси можат, при неправилна употреба или оштетување, да предизвикаат прегревање, пожар и ослободување опасни материи.

Историјата на литиумските батерии е резултат на повеќедецениски истражувања во хемијата на материјалите, електрохемијата и физиката на цврстата состојба.

Литиумот бил откриен во 1817 година од шведскиот хемичар Јохан Август Арфведсон, при анализа на минералот петалит. Литиумот е најлесниот метал и има само еден електрон во надворешната електронска обвивка. Тој лесно го губи тој електрон и преминува во позитивно наелектризираниот литиумов јон:

Li → Li⁺ + e⁻

Оваа особина го прави литиумот особено погоден за електрохемиски системи во кои се потребни висока енергетска густина и релативно висока електрична потенцијална разлика.

Во 1970-тите години, истражувачот М. Стенли Витингам развил батерија што користела метален литиум како негативна електрода и титаниум дисулфид (TiS₂) како позитивна електрода. Овој систем бил важен чекор кон современите литиумски батерии, но употребата на метален литиум носела сериозни безбедносни ризици.

Во 1980 година, Џон Гуденаф покажал дека материјалите врз основа на литиум-кобалт оксид (LiCoO₂) можат да овозможат значително повисок напон. Ова откритие придонело за развојот на батерии со поголема енергетска густина.

Во 1985 година, Акира Јошино развил практична литиум-јонска батерија со јаглероден материјал како негативна електрода, наместо електрода од чист метален литиум. Така бил намален ризикот поврзан со металниот литиум, а батеријата станала погодна за комерцијална примена.

Во 1991 година започнала комерцијалната продажба на литиум-јонски батерии. Нивното воведување овозможило развој на полесни и помали електронски уреди, а подоцна и на електрични автомобили и големи системи за складирање енергија.

Во 2019 година, Нобеловата награда за хемија им била доделена на М. Стенли Витингам, Џон Гуденаф и Акира Јошино за нивниот придонес во развојот на литиум-јонските батерии.

Типичната литиум-јонска батерија се состои од неколку основни компоненти:

1. Негативна електрода, најчесто изработена од графит.
2. Позитивна електрода, изработена од материјал што содржи литиум.
3. Електролит, кој овозможува движење на литиумовите јони.
4. Сепаратор, кој ги разделува двете електроди и спречува директен електричен контакт.
5. Метални колектори на струја, кои ги пренесуваат електроните до надворешното електрично коло.

Кај многу комерцијални батерии, негативната електрода содржи графит (C), додека позитивната електрода може да содржи литиум-кобалт оксид (LiCoO₂), литиум-железо фосфат (LiFePO₄) или други литиумски соединенија.

Електролитот често содржи литиум хексафлуорофосфат (LiPF₆), растворен во органски растворувачи, како етилен карбонат (C₃H₄O₄) и диметил карбонат (C₃H₆O₃). Точниот состав зависи од видот и намената на батеријата.

Сепараторот обично е тенка порозна полимерна мембрана. Тој овозможува минување на јоните низ електролитот, но спречува директен контакт меѓу електродите. Доколку сепараторот се оштети, може да настане внатрешен краток спој.

Работата на литиум-јонската батерија се заснова на реверзибилното движење на литиумовите јони меѓу двете електроди. Овој процес често се нарекува интеркалација и деинтеркалација.При интеркалација, литиумовите јони се вметнуваат во структурата на материјалот на електродата. При деинтеркалација, тие ја напуштаат таа структура.

Кога батеријата напојува електричен уред, литиумовите јони се движат од негативната кон позитивната електрода низ електролитот. Електроните, пак, се движат низ надворешното електрично коло и ја снабдуваат електричната опрема со енергија.

За батерија со графитна негативна електрода и позитивна електрода од литиум-кобалт оксид, процесите може поедноставено да се прикажат со следните равенки.

На негативната електрода се одвива оксидација:

LiC₆ → C₆ + Li⁺ + e⁻

Литиумот од графитната структура се ослободува како јон, а електронот се пренесува во надворешното коло.

На позитивната електрода се одвива редукција:

CoO₂ + Li⁺ + e⁻ → LiCoO₂

Литиумовиот јон и електронот се „прилепуваат“ во материјалот на позитивната електрода.

Вкупната реакција при празнење, во ова поедноставено претставување, е:

LiC₆ + CoO₂ → C₆ + LiCoO₂

Овие равенки се шематски и се однесуваат на избран модел на батерија со графит и литиум-кобалт оксид. Реалните електроди можат да имаат променлив состав, а реакциите вклучуваат повеќе меѓучекори.

При полнење, надворешниот извор на електрична енергија го принудува процесот да се одвива во спротивна насока. Литиумовите јони се движат од позитивната кон негативната електрода и повторно се вметнуваат во структурата на графитот.

Вкупната реакција во идеализираниот модел се одвива обратно:

C₆ + LiCoO₂ → LiC₆ + CoO₂

На овој начин електричната енергија се претвора во хемиски складирана енергија. При следното празнење, дел од складираната енергија повторно се претвора во електрична енергија.

Важно е да се нагласи дека електроните не минуваат слободно низ електролитот. Електроните се движат низ надворешното коло, додека литиумовите јони се движат низ електролитот. Ова раздвојување на патиштата е основен принцип на функционирањето на батеријата.

Електролитот е неопходен затоа што овозможува пренесување на литиумовите јони меѓу електродите. Во исто време, мора да има соодветна електрохемиска стабилност и да не реагира неконтролирано со другите компоненти во нормалните работни услови.

Често користена електролитна сол е литиум хексафлуорофосфат, со формула:LiPF₆

При присуство на вода, оваа сол може да учествува во реакции што доведуваат до создавање корозивни и токсични соединенија. Една поедноставена равенка за хидролиза е:

LiPF₆ + H₂O → LiF + POF₃ + 2HF

Во оваа равенка се прикажани литиум флуорид (LiF), фосфорил флуорид (POF₃) и флуороводород(HF). Реалната хемија е посложена, бидејќи POF₃може дополнително да реагира со вода и да создава други флуоросодржечки соединенија.

 

Флуороводородот е особено опасен поради неговата корозивност и токсичност. Изложувањето може да предизвика тешки повреди на очите, кожата и дишните патишта. Затоа, оштетените батерии не треба да се отвораат или да се изложуваат на вода со цел да се испитува нивната хемија.

Покрај електролитната сол, органските растворувачи во електролитот често се запаливи. При прегревање или пожар, тие можат да се распаѓаат и да создаваат мешавина од гасови и пареи, меѓу кои, зависно од условите, може да има јаглерод моноксид (CO), јаглерод диоксид (CO₂) и други опасни производи на распаѓање.

Иако се безбедни при правилна употреба и соодветна заштита, литиум-јонските батерии содржат голема количина складирана енергија. Механичко оштетување, прекумерно полнење, внатрешен краток спој или изложување на висока температура може да предизвика опасни реакции.

Еден од најважните процеси е термичкото бегство (thermal runaway). Тоа е самозасилувачки процес при кој зголемувањето на температурата предизвикува реакции што ослободуваат дополнителна топлина. Таа топлина поттикнува нови реакции и може да доведе до уште поголемо загревање.

Во текот на овој процес може да се случат следниве појави:

• Разградување на заштитните слоеви на електродите.
• Распаѓање на електролитот и ослободување гасови.
• Зголемување на внатрешниот притисок.
• Испуштање запаливи пареи и токсични продукти.
• Пожар или насилно пукање на куќиштето.

Ако метален предмет, како скалпел, ја пробие батеријата или ги поврзе нејзините електрични контакти, може да предизвика краток спој. Електричната енергија тогаш може брзо да се претвори во топлина.

Контактот со вода не ја прави оштетената батерија автоматски безбедна. Однесувањето зависи од конструкцијата, хемијата, степенот на оштетување и условите. Некои реакции можат да создадат опасни материи, но не секоја литиум-јонска батерија при контакт со вода нужно ослободува водород или веднаш се запалува.

Поради овие ризици, батериите не треба да се сечат, пробиваат, расклопуваат или изложуваат на намерни експерименти со вода и остри предмети. Оштетените батерии треба да се третираат според упатствата на производителот и локалните правила за безбедно постапување со опасен електронски отпад.

Литиум-јонските батерии не се сите хемиски исти. Нивните својства зависат од материјалите што се користат во електродите.

7Литиум-кобалт оксид (LCO): Хемиска формула: LiCoO₂.

Овој тип широко се користи во мобилни телефони, лаптопи и други преносливи електронски уреди. Има висока енергетска густина, но бара внимателно управување со температурата и полнењето.

Литиум-железо фосфат (LFP): Хемиска формула: LiFePO₄.

Овие батерии имаат добра термичка стабилност и долг работен век. Се користат во електрични возила, системи за складирање енергија и други апликации во кои се важни издржливоста и безбедноста.

Литиум-никел-манган-кобалт оксид (NMC): Општа формула: LiNiₓMnᵧCo_zO₂, каде што x + y + z = 1.

Овој тип овозможува прилагодување на својствата преку промена на односот меѓу никелот, манганот и кобалтот. Се користи во електрични автомобили и други системи што бараат добра рамнотежа меѓу енергетската густина, моќноста и работниот век.

Литиум-никел-кобалт-алуминиум оксид (NCA): Општа формула: LiNiₓCoᵧAl_zO₂, каде што x + y + z = 1.

Овој материјал се користи во одредени батерии со висока енергетска густина, особено во електрични возила.

Изборот на хемискиот состав влијае врз напонот, капацитетот, цената, работниот век, безбедноста и потребите за управување со температурата.

Главните предности на литиум-јонските батерии се високата енергетска густина, малата маса, можноста за повторно полнење, релативно малото саморазредување и широката примена во преносливата електроника и електричниот транспорт.

Сепак, постојат и недостатоци. Батериите постепено го губат капацитетот, чувствителни се на одредени услови на полнење и температура, а неправилната употреба може да доведе до сериозни безбедносни проблеми.

Производството бара суровини и енергија, а ископувањето и обработката на литиум, никел, кобалт и други материјали можат да имаат влијание врз животната средина. Затоа, нивната одржливост зависи и од начинот на производство, трајноста, можноста за поправка и ефикасноста на рециклирањето.

Рециклирањето на литиум-јонските батерии овозможува повторно искористување на дел од вредните материјали и намалување на потребата за добивање нови суровини.

Во зависност од технологијата, процесите на рециклирање можат да вклучуваат механичко раздвојување, хидрометалургија и пирометалургија.

Хидрометалургијата користи водени раствори и контролирани хемиски реакции за издвојување метали од материјалите на батеријата. Пирометалургијата користи високи температури за обработка и раздвојување на одредени компоненти. Механичките постапки помагаат да се раздвојат материјалите пред нивната понатамошна хемиска обработка.

Сепак, рециклирањето не е едноставно. Батериите имаат различни хемиски состави, а нивното неправилно ракување може да предизвика пожари и изложување на опасни материи. Поради тоа, батериите не треба да се фрлаат во обичен отпад, туку да се предаваат на соодветни собирни места и овластени системи за рециклирање.

Литиум-јонските батерии се резултат на долг научен развој што ги поврзува електрохемијата, хемијата на материјалите и инженерството. Нивната работа се заснова на реверзибилното движење на литиумовите јони меѓу електродите и на преносот на електрони низ надворешното коло.

Откритијата на Витингам, Гуденаф и Јошино овозможиле создавање батерии што се полесни, поефикасни и погодни за повторно полнење. Денес тие се клучни за преносната електроника, електричниот транспорт и складирањето енергија од обновливи извори.

Но, нивната употреба бара разбирање на хемијата, внимателно управување со температурата и напонот, соодветни заштитни системи и одговорно рециклирање.

Литиум-јонската батерија е пример за тоа како контролирањето на движењето на јоните и електроните може да ја промени современата технологија. Истовремено, таа покажува дека секој технолошки напредок мора да биде придружен со знаење за хемиските ризици и соодветни мерки за безбедност.