Tak się składa, że przespałem rewolucje baterii Litowo-Ionowych, które królują w praktycznych zastosowaniach urządzeń przenośnych. W mojej epoce królował akumulator kwasowo-ołowiowy, który był ciężki i za duży aby stosować go w urządzeniach przenośnych, więc stosowany był przede wszystkim w motoryzacji jako akumulator startowy. W miedzyczasie pojawił się akumulator AGM (skrót pochodzi od angielskiego „absorbent glass mat”- https://patentyblog.pl/2022/04/) ale też nie nadawał się do powszechnego zastosowania. Jak szybko zmienia się technologia baterii może świadczyć fakt, że tak niedawno bo w roku 2019 przyznana została nagroda Nobla w dziedzinie chemii trzem profesorom – Stanley’owi Whittinghamowi, Johnowi Goodenoughowi i Akira Yoshino. THE NOBEL PRIZE IN CHEMISTRY 2019 https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-chemistryprize2019.pdf
Z całą pewnością przyznanie nagrody Nobla za wynalezienie baterii litowo-jonowych potwierdza fakt, że technologia ta zrewolucjonizowała nasze życie, zwiększyła mobilność, poprawiła efektywność energetyczną, obniża emisję zanieczyszczeń i pozwala skutecznej wykorzystywać odnawialne źródła energii. Dąży ona również, tak jak już wspominano, do uzależniania nas od magazynowania energii. Dlatego tak ważne, wręcz strategiczne, będzie posiadanie zapewnionych dostaw baterii litowo-jonowych opartych o zrównoważone technologie materiałowe bezpieczne surowcowo, np. technologie bez-kobaltowe oraz oparte na surowcach odnawialnych. Każda bateria się zużywa, co jest zjawiskiem naturalnym, dlatego wymaga recyclingu oraz wymiany na nową. Kluczowym rozwiązaniem dla każdej gospodarki powinno być więc posiadanie własnych fabryk baterii litowo-jonowych. Rewolucja „litowo-jonowa” już trwa i w najbliższej przyszłości to dostępność baterii litowo-jonowych będzie decydowała o niezależności i konkurencyjności gospodarki, tym samym zastąpi dominującą rolę paliw kopalnych.
W ramach wstępu do technologii baterii litowo-jonowych należy odnotować, że w istocie w/w bateria składa się z trzech głównych elementów: anody, katody i elektrolitu. Anoda, zazwyczaj wykonana z węgla (grafitu), magazynuje jony litu podczas ładowania. Katoda, często zbudowana z tlenków metali, takich jak tlenek litu i kobaltu, uwalnia jony litu podczas rozładowywania. Elektrolit, substancja ciekła lub żelowa, ułatwia przepływ jonów litu między anodą a katodą.
Fizyka działania baterii obejmuje cykle:
1. Ładowanie: Po podłączeniu do prądu, zewnętrzne źródła zasilania wysyłają elektrony do anody, powodując migrację jonów litu przez elektrolit w kierunku anody. System BMS zarządza tym przepływem, zapobiegając przeładowaniu.
2. Rozładowywanie: Elektrony przepływają przez obwód urządzenia z anody, zasilając podzespoły zasilane. Jednocześnie jony litu powracają przez elektrolit do katody, zamykając obwód.
3. Magazynowanie energii: Podczas wyładowań energia jest uwalniana, gdy elektrony przepływają przez zasilane urządzenie, takie jak silniki, procesory i radia.
4. Zarządzanie temperaturą: BMS monitoruje temperaturę, aby zapobiec przegrzaniu, które może skrócić żywotność baterii lub spowodować problemy z bezpieczeństwem.
5. Recykling jonów: Jony litu przemieszczają się tam i z powrotem podczas cykli ładowania i rozładowywania, umożliwiając wielokrotne wykorzystanie bez znacznej utraty pojemności.
6. Koniec cyklu życia: Z biegiem cykli pojemność maleje. Akumulator jest wówczas wymieniany lub poddawany recyklingowi w celu odzyskania materiałów.
Interkalacja to proces odwracalnego wbudowywania w strukturę ciała stałego jonów, atomów lub cząsteczek innej substancji, przebiegający bez zasadniczych zmian w strukturze krystalicznej interkalowanego materiału. Proces odwrotny nosi nazwę deinterkalacji.Proces interkalacji możliwy jest dla stosunkowo wąskiej grupy materiałów — najczęściej udaje się interkalować materiały o strukturze warstwowej a wprowadzane substancje to zwykle jony metali alkalicznych lub wodór. Zjawisko interkalacji znalazło powszechne zastosowanie jako mikroskopowy mechanizm działania odwracalnych ogniw litowych typu Li-Ion batteries. Wykorzystany w ogniwach litowych mechanizm interkalacji polega na odwracalnym wbudowywaniu jonów litu (jeden lub więcej moli litu na mol związku) do struktury związków metali przejściowych (stanowiących materiał katodowy) i grafitu (będącego zwykle materiałem anodowym) bez zasadniczej zmiany parametrów struktur krystalicznych tych substancji. Podstawowe elementy komórki elementarnej interkalowanych materiałów pozostają niezmienione za wyjątkiem niewielkich, odwracalnych dystorsji struktury.
Pierwotnie, niejako naturalnym materiałem anodowym w ogniwach litowych był lit metaliczny. Baterie takie zostały nawet wprowadzone na rynek, jednak w czasie cyklu ładowania narastały na litowej anodzie dendryty litu, co prowadziło do zwarcia wewnętrznego ogniwa, wzrostu temperatury i wybuchu. Obecnie stosowanym materiałem anodowym jest grafit, który również ma zdolność interkalowania jonów litu. Takie rozwiązanie zostało wprowadzone przez firmę Sony w roku 1989 pod nazwą „Li-ton battery”. Grafit jako materiał anodowy zapewnia bezpieczeństwo użytkowania baterii przy niewielkim spadku napięcia w porównaniu do zastosowania litu metalicznego (zbliżony potencjał). Grafit jest materiałem tanim, łatwo dostępnym, nietoksycznym, a ponad to ma mały ciężar właściwy. Podstawową wadą zastosowania grafitu jest jego duża objętość molowa, przez co znacznie spada wolumetryczna gęstość energii zgromadzonej w baterii. Stanowi to przeszkodę minimalizacji rozmiarów ogniw. Chociaż wciąż trwają prace nad wykorzystaniem innego typu materiału anodowego zdolnego do wbudowywania jonów litu w swoją strukturę (nanorurki węglowe, związki międzymetaliczne) to jednak ze względu na szereg zalet uważa się, że grafit pozostanie materiałem anodowym dla przyszłych generacji odwracalnych ogniw litowych.
Natomiast w charakterze katody która jest kluczowym elementem baterii, który decyduje o gęstości energii i napięciu akumulatorów litowo-jonowych stosowane sa rózne materiały oferując unikalne zalety:
Tlenek litu kobaltu (LCO)
LCO jest szeroko stosowany w elektronice użytkowej ze względu na wysoką gęstość energii. Ma jednak umiarkowaną bezpieczeństwo i długowieczność, co czyni go mniej odpowiednim do zastosowań wymagających dłuższej żywotności.
Tlenek kobaltu litowo-niklowo-manganowy (NMC)
NMC oferuje równowagę między wysoką gęstością energii a umiarkowanym bezpieczeństwem. Jest powszechnie stosowany w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania energii. Innowacje w zakresie tlenków warstwowych o ultrawysokiej zawartości niklu dodatkowo zwiększają jego wydajność.
Fosforan litowo-żelazowy (LFP)
LFP wyróżnia się wysokim bezpieczeństwem i trwałością. Jest coraz bardziej popularny w stacjonarnych systemach magazynowania energii i pojazdach elektrycznych, szczególnie w Chinach, ze względu na niższą gęstość energii przy lepszej stabilności termicznej.
Natomiast elektrolit powinien wykazywać się możliwie wysokim przewodnictwem jonowym przy zupełnym braku przewodnictwa elektronowego. Ponadto musi wykazywać bierność chemiczną tak w stosunku do materiału katody, jak i anody (stabilność w tzw. oknie elektrochemicznym). Obecnie stosuje się niewodne roztwory soli litu w rozpuszczalniku organicznym. Konieczność stosowania rozpuszczalników niewodnych (lub częściej ich mieszanin) wynika głównie z dużej reaktywności litu. Najpowszechniej stosowanymi rozpuszczalnikami są: węglan etylenu, węglan dimetylu i węglan dietylu. Jako soli używa się związków o słabo kompleksujących anionach. Najczęściej stosuje się LiPF9 LiBF 4, LiCIO 4.
US7824810 Electrolytic solution and battery, Sony, Shinsaku Ugawa,Yoshikatsu Yamamoto, Data patentu: 2.11.20210. Wynalazek dotyczy roztwóru elektrolitycznego baterii Litowo-Ionowej, który zapobiega samorozładowaniu nawet w wysokich temperaturach, oraz akumulator wykorzystujący ten roztwór. Wewnątrz obudowy akumulatora znajduje się spiralnie nawinięty korpus elektrody, w którym katoda i anoda są nawinięte, a pomiędzy nimi znajduje się spiralnie nawinięty separator. Separator jest impregnowany roztworem elektrolitycznym. Roztwór elektrolityczny zawiera siarczyn etylenu, węglan winylu, LiPF6 oraz sól metalu lekkiego, taką jak difluoro[szczawiano-O,O′]boran litu w określonym zakresie temperatur. Dzięki temu samorozładowanie może zostać zahamowane nawet w wysokich temperaturach.
Fig.1 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym strukturę baterii wtórnej zgodnie z jednym z przykładów wykonania niniejszego wynalazku; Fig.2 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym strukturę spiralnie nawiniętego korpusu elektrody, pokazanego na linii II-II, Fig.1; Fig.3 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym inną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na Fig.1; Fig.4 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym kolejną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na Fig.1; Fig.5 jest przekrojem poprzecznym przedstawiającym kolejną strukturę wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody pokazanego na Fig.1.
Roztwór elektrolityczny zgodnie z jednym z wariantów realizacji niniejszego wynalazku zawiera na przykład rozpuszczalnik i sól elektrolitu rozpuszczoną w rozpuszczalniku. Jako rozpuszczalnik można wymienić na przykład rozpuszczalnik niewodny, taki jak węglan etylenu, węglan propylenu, węglan dimetylu, węglan dietylu, węglan etylometylowy, 1,2-dimetoksyetan, 1,2-dietoksyetan, γ-butyrolakton, tetrahydrofuran, 2-metylotetrahydrofuran, 1,3-dioksolan, 4-metylo-1,3-dioksolan, eter dietylowy, sulfolan, metylosulfolan, acetonitryl, propionitryl, anizol, octan estru, maślan estru i propionian estru.
FIG.1 przedstawia strukturę przekroju poprzecznego akumulatora wtórnego wykorzystującego ten roztwór elektrolityczny. Akumulator wtórny jest tzw. akumulatorem cylindrycznym i posiada spiralnie nawinięty korpus elektrody 20 wewnątrz puszki akumulatora 11 o kształcie zbliżonym do pustego cylindra. Pojemnik na baterię 11 wykonany jest np. z żelaza (Fe) pokrytego niklem (Ni). Jeden koniec puszki baterii 11 jest zamknięty, a drugi koniec jest otwarty. Wewnątrz obudowy akumulatora 11 znajduje się para płyt izolacyjnych 12 i 13 ułożonych prostopadle do powierzchni obwodu uzwojenia, dzięki czemu spiralnie nawinięty korpus elektrody 20 jest umieszczony pomiędzy płytami izolacyjnymi 12 i 13.
Na otwartym końcu pojemnika baterii 11, pokrywa baterii 14 oraz mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 i urządzenie PTC (dodatni współczynnik temperaturowy) 16 umieszczone wewnątrz pokrywy baterii 14 są przymocowane za pomocą uszczelki 17. Wnętrze puszki akumulatora 11 jest dzięki temu hermetycznie zamknięte. Pokrywa baterii 14 jest na przykład wykonana z materiału podobnego do tego, z którego wykonana jest puszka baterii 11. Mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 połączony jest elektrycznie z pokrywą akumulatora 14 za pośrednictwem urządzenia PTC 16. Gdy ciśnienie wewnętrzne akumulatora osiągnie określony poziom lub więcej wskutek wewnętrznego zwarcia, zewnętrznego nagrzania itp., płytka tarczowa 15A obraca się, przerywając połączenie elektryczne pomiędzy pokrywą akumulatora 14 a spiralnie nawiniętym korpusem elektrody 20.Gdy temperatura wzrasta, urządzenie PTC 16 ogranicza prąd poprzez zwiększenie wartości rezystancji, aby zapobiec nadmiernemu wytwarzaniu ciepła przez duży prąd. Uszczelka 17 wykonana jest na przykład z materiału izolacyjnego, a jej powierzchnia pokryta jest asfaltem.
Fig.2 przedstawia przekrój poprzeczny wzdłuż linii II-II spiralnie nawiniętego korpusu elektrody 20 pokazanego na Fig.1. W spiralnie nawiniętym korpusie elektrody 20 znajdują się warstwowo nawinięta spiralnie katoda 21 w kształcie paska i anoda 22 w kształcie paska, pomiędzy którymi znajduje się separator 23. W jego środku umieszczony jest sworzeń 24, który na w/w rysunku razem z separatorem 23 jest pominięty. Przewód katodowy 25 wykonany z aluminium (Al) lub podobnego materiału jest połączony z katodą 21 spiralnie nawiniętego korpusu elektrody 20. Do anody 22 podłączony jest przewód anodowy 26 wykonany z niklu lub podobnego materiału. Przewód katodowy 25 połączony jest elektrycznie z pokrywą akumulatora 14 poprzez przyspawanie go do mechanizmu zaworu bezpieczeństwa 15. Przewód anodowy 26 jest przyspawany i połączony elektrycznie z puszką akumulatora 11.
Katoda 21 posiada kolektor prądu 21A z parą przeciwległych powierzchni i warstwę materiału aktywnego 21B umieszczoną na obu lub jednej powierzchni kolektora prądu 21A. Kolektor prądu 21A jest wykonany na przykład z aluminium (Al), niklu (Ni), stali nierdzewnej lub podobnego materiału.
Warstwa materiału aktywnego 21B zawiera na przykład jeden lub więcej materiałów katodowych zdolnych do wprowadzania i usuwania litu (Li) jako materiału aktywnego katody. W razie potrzeby warstwa materiału aktywnego 21B może zawierać przewodnik elektryczny, taki jak materiał węglowy i spoiwo, takie jak polifluorek winylidenu. Materiałem katodowym zdolnym do wprowadzania i usuwania litu (Li) może być na przykład związek zawierający lit, taki jak tlenek litu, tlenek fosforanu litu, siarczek litu, a także związek interkalacyjny zawierający lit.
Podobnie jak katoda 21, anoda 22 ma kolektor prądu 22A z parą przeciwległych powierzchni i warstwą materiału aktywnego 22B umieszczoną na obu lub jednej powierzchni kolektora prądu 22A. Kolektor prądu 22A jest wykonany na przykład z miedzi (Cu), niklu (Ni), stali nierdzewnej lub podobnego materiału.
Jako materiał anodowy zdolny do wprowadzania i usuwania litu (Li) można wymienić na przykład materiał węglowy, taki jak grafit, węgiel niegrafityzowalny i węgiel grafityzowalny. Materiały węglowe są preferowane, ponieważ zmiana struktury krystalicznej zachodząca podczas ładowania i rozładowywania jest bardzo mała, dzięki czemu można uzyskać dużą pojemność ładowania i rozładowywania, a także korzystne charakterystyki cyklu ładowania i rozładowywania. W szczególności preferowany jest grafit, ponieważ ma dużą pojemność i zapewnia dużą gęstość energii.
W baterii wtórnej katoda 21 ma odsłonięty obszar 21C, w którym nie ma warstwy materiału aktywnego 21B, dwustronny obszar materiału aktywnego 21D, w którym warstwa materiału aktywnego 21B znajduje się po obu stronach kolektora prądu 21A, oraz wewnętrzny obszar materiału aktywnego 21E, w którym warstwa materiału aktywnego 21B znajduje się tylko po stronie wewnętrznej kolektora prądu 21A. Anoda 22 ma odsłonięty obszar 22C, w którym nie ma warstwy materiału aktywnego 22B, oraz dwustronny obszar materiału aktywnego 22D, w którym warstwa materiału aktywnego 22B znajduje się po obu stronach kolektora prądu 22A. Warstwa materiału aktywnego 21B katody 21 jest umieszczona tak, że warstwa materiałuaktywnego 21B znajduje się naprzeciwko warstwy materiału aktywnego 22B anody 22. Jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 21C usytuowanych jest na środkowej stronie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody.
Około jeden obwód obszaru materiału aktywnego wewnętrznej powierzchni 21E jest umieszczony na obwodowej stronie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody. Jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 22C anody 22 rozmieszczono na obwodzie spiralnie nawiniętego korpusu elektrody tak, że odsłonięty obszar 22C znajduje się naprzeciwko kolektora prądu 21A katody 21. Dzięki temu poprawiają się właściwości uwalniania ciepła.
Zgodnie z Fig.3 katoda 21 może mieć jeden lub więcej obwodów odsłoniętego obszaru 21C zamiast wewnętrznego obszaru materiału aktywnego 21E na stronie obwodowej spiralnie nawiniętego korpusu elektrody. Separator 23 wykonany jest na przykład z porowatej folii wykonanej z materiału poliolefinowego, takiego jak polipropylen i polietylen, lub porowatej folii wykonanej z materiału nieorganicznego, takiego jak włóknina ceramiczna. Separator 23 może mieć strukturę, w której dwie lub więcej porowatych folii, takich jak powyższe porowate folie, są ułożone warstwowo.
Opatentowany roztwór elektrolityczny jest impregnowany w separatorze 23. Dzięki temu na powierzchni anody 22 tworzy się korzystna powłoka, a reakcja rozkładu roztworu elektrolitycznego zostaje zahamowana. Dzięki temu zapobiega się samoistnemu rozładowaniu nawet w wysokich temperaturach. Ponadto poprawiono właściwości niskotemperaturowe oraz wydajność ładowania i rozładowywania.
Przewód katody 25 mocowany jest do kolektora prądu 21A poprzez spawanie lub w podobny sposób, a przewód anody 26 mocowany jest do kolektora prądu 22A poprzez spawanie lub w podobny sposób. Następnie katoda 21 i anoda 22 są układane warstwowo, pomiędzy nimi znajduje się separator 23, a całość jest spiralnie nawijana. Koniec przewodu katodowego 25 jest przyspawany do mechanizmu zaworu bezpieczeństwa 15, a koniec przewodu anodowego 26 jest przyspawany do puszki akumulatora 11. Spiralnie nawinięta katoda 21 i spiralnie nawinięta anoda 22 umieszczone są pomiędzy parą płyt izolacyjnych 12 i 13 i umieszczone wewnątrz obudowy baterii 11. Po umieszczeniu katody 21 i anody 22 wewnątrz obudowy akumulatora 11, do obudowy akumulatora 11 wtryskuje się roztwór elektrolitu, który następnie impregnuje separator 23. Następnie do otwartego końca puszki baterii 11 mocuje się pokrywę baterii 14, mechanizm zaworu bezpieczeństwa 15 i urządzenie PTC 16, uszczelniając je uszczelką 17. W akumulatorze wtórnym podczas ładowania jony litu są np. pobierane z katody 21 i wprowadzane do anody 22 poprzez roztwór elektrolityczny. Tymczasem podczas rozładowywania, na przykład, jony litu są wydobywane z anody 22 i wprowadzane do katody 21 poprzez roztwór elektrolityczny. W tym przypadku roztwór elektrolityczny zawiera siarczyn etylenu, węglan winylu, LiPF oraz sól metalu lekkiego przedstawioną we wzorze chemicznym 1. Dlatego też w początkowym ładowaniu na anodzie 22 tworzy się korzystna powłoka. Dzięki temu zahamowana zostaje reakcja rozkładu roztworu elektrolitycznego i wyeliminowany zostaje proces samo rozładowania, nawet w wysokich temperaturach.
SUPLEMENT
Mój opis pozbawiony jest informacji z zakresu chemii związków Litu, który skupia się jedynie na jego roli jako najlżejszego metalu alkalicznego, reagującego gwałtownie z wodą, tworzącego jony i liczne sole (węglany, azotany, halogenki, wodorotlenki) oraz związki litoorganiczne, przy czym jego związki (np. wodorotlenek, tlenek, sole) mają zastosowanie w akumulatorach, przemyśle szklarskim, ceramice i farmacji, przy czym lit posiada również efekt stabilizujący w medycynie, wpływając na neuroprzekaźniki.
Kluczowe właściwości litu Reaktywność: Wysoce reaktywny, łatwo reaguje z tlenem i wodą, tworząc wodorotlenek litu (LiOH))i wodór, a w normalnych warunkach reaguje nawet z azotem.
Charakterystyka: Srebrzystobiały, miękki metal, najlżejszy metal stały. Kolor płomienia: Barwi płomień na intensywny karminowy (czerwony) kolor. Rodzaje związków litu Sole nieorganiczne: Węglan litu (Li2CO3), azotan litu(LiNO3), chlorek litu((LiCl), wodorotlenek litu(LiOH). Związki z wodorem i azotem: Wodorek litu (LiOH), amid litu (LiNH2)).Związki tlenowe: Tlenek litu (LiO2), ponadtlenek litu (LiO2). Związki litoorganiczne (RLi): Związki z bezpośrednim wiązaniem węgiel-lit, będące mocnymi zasadami i nukleofilami, podobne do związków Grignarda.
Zastosowania związków litu Energetyka: Baterie litowo-jonowe (jony litu).Medycyna: Leki stabilizujące nastrój (dwuwodny węglan litu), stabilizujące jony i neuroprzekaźniki.
Przemysł: Produkcja szkła żaroodpornego, ceramiki (tlenek litu), pochłaniacz CO2, środki smarne.
Chemia organiczna: Tetrahydroglinian litu (Li[AlH4]) jako silny środek redukujący.
Występowanie: W przyrodzie występuje wyłącznie w związkach, np. w minerałach i solankach. Pozyskiwany przez elektrolizę roztopionych soli litu (np. (LiCl).
Akumulatory litowo – jonowe [RS Elektronika] #115
Zostaw odpowiedź