Jakie materiały poprawią właściwości akumulatorów litowo-jonowych?
| Gospodarka ArtykułyAkumulatory litowo-jonowe używane są w różnych urządzeniach, od telefonów komórkowych po elektronarzędzia. Popularność zawdzięczają licznym zaletom - w porównaniu z innymi typami akumulatorów mają większą pojemność i napięcie, a dzięki temu są lżejsze i mniejsze. Są także wygodniejsze w eksploatacji - nie mają efektu pamięci, a samorozładowaniu ulegają znacznie wolniej. W artykule przedstawiamy materiały, które w przyszłości być może jeszcze poprawią ich właściwości.
Akumulator zbudowany jest z kilku połączonych ze sobą ogniw. Każde z tych ostatnich składa się z anody, katody i elektrolitu. Od materiału, z jakiego wykonano pierwsze dwa elementy oraz rodzaju elektrolitu zależy pojemność akumulatora i jego napięcie. Materiały anody i katody dobiera się tak, aby ta pierwsza uwalniała elektrony, a druga je przyjmowała. Taką zdolność elektrody określa jej standardowy potencjał. Napięcie ogniwa jest różnicą tych potencjałów anody i katody. Pomiędzy anodą a katodą zachodzą reakcje redoks (utleniania i redukcji). W ich wyniku w elektrolicie z tej pierwszej elektrody w kierunku drugiej przemieszczają się jony. Elektrony natomiast zasilają urządzenie. Po podłączeniu akumulatora do źródła zasilania reakcje te ulegają odwróceniu. To umożliwia jego wielokrotne ładowanie.
Anody z krzemu
Anody w akumulatorach litowo-jonowych wykonuje się zwykle z grafitu. Obecnie prowadzone są jednak liczne badania w kierunku zastąpienia tego materiału przez krzem. Dzięki niemu pojemność akumulatorów miałaby się zwiększyć nawet kilkakrotnie. Niestety w czasie ładowania zasobnika, w trakcie absorpcji jonów litu, powłoki krzemowe rozszerzają się. Podczas rozładowywania natomiast w wyniku uwalniania jonów litu kurczą się ponownie. Wielokrotnie powtarzane cykle ładowania i rozładowywania prowadzą w rezultacie do zniszczenia anody. Wady tej pozbawione są nanorurki krzemowe i to nad nimi obecnie pracują naukowcy.
Katody z LiFePO4
Tradycyjnie katody w akumulatorach litowo-jonowych wykonuje się z LiCoO2. Materiał ten ma jednak dwie istotne wady: jest drogi ze względu na cenę kobaltu i nie jest termicznie stabilny w wysokiej temperaturze. Alternatywą jest LiFePO4. Jest on tańszy i mniej aktywny chemicznie. Z drugiej strony jednak charakteryzuje go mniejsza pojemność i znacznie mniejsza przewodność w porównaniu z LiCoO2. By ograniczenia te ominąć, naukowcy pracują nad technologią domieszkowania tego materiału.
Elektrolity ciekłe
Elektrolity w akumulatorach litowo-jonowych mogą mieć formę cieczy, żelu lub stałą. Te pierwsze zwykle zawierają LiBC4O8, LiPF26 lub podobne związki. Największą wadą tych, które zapewniają najlepsze właściwości w zakresie gromadzenia energii, jest ich łatwopalność. Charakteryzuje je bowiem niska wartość temperatury wrzenia. Temperatura ich zapłonu oscyluje natomiast wokół zaledwie +30°C. Funkcję elektrolitu pełnią również polimery przewodzące jonowo.
Elektrolit polimerowy czy stały?
Często łączy się je z nanocząsteczkami ceramicznymi. Dzięki temu mają one większą przewodność i odporność na wysokie napięcia. Zaletą elektrolitów polimerowych jest też ich duża lepkość, dzięki której powstrzymują proces porastania elektrod krystalicznymi strukturami z litu.
Elektrolity stałe to z kolei przewodzące kryształy. Ponieważ wymagają one specjalnych warunków pracy, są dość drogie w użytkowaniu. Ponadto w niskich temperaturach ruchliwość jonów ulega w nich znacznemu ograniczeniu. W rezultacie nie nadają się one do pracy w takich warunkach.
Monika Jaworowska
