2. План лекции
2
Преимущества литиевого анода
Проблема высокой активности лития
Проблема выбора растворителя
Проблема многократного циклирования
Электрохимические процессы
Материалы анода, катода и электролита
Применение
Видео
Задание
Козадеров О.А. 2015
4. Литиевый анод: преимущества
литий обладает самым
отрицательным
электродным потенциалом
среди всех металлов:
–3.055 В в воде
–2.887 В в пропиленкарбонате
литий характеризуется
высокой удельной
энергией:
11760 Вт·ч/кг
Козадеров О.А. 20154
5. Литий – очень активный металл
термодинамические расчеты показывают
принципиальную возможность восстановления
литием ВСЕХ мыслимых веществ, которые могли бы
использоваться в качестве растворителя электролита
реакция с водой
реакция с
пропиленкарбонатом
реакция с
этиленкарбонатом
Li + H2O = Li+
+ OH-
+ ½H2↑
5 Козадеров О.А. 2015
6. Пассивная пленка в неводных растворителях
на поверхности лития
образуется защитная
пленка из
нерастворимых
продуктов
взаимодействия
оксид лития Li2O
карбонат лития Li2CO3
галогениды лития
другие соли лития
пленка нанометровой
толщины обладает
заметной ионной
электропроводностью
6 Козадеров О.А. 2015
7. Требования к неводным растворителям
1. Устойчивость лития
2. Способность образовывать
А) концентрированные
Б) высокоэлектропроводные
растворы литиевых солей
7 Козадеров О.А. 2015
8. Неводные растворители:
проблема растворимости
Простые литиевые соли и основание (LiOH, LiNO3 и др.)
не растворяются в неводных растворителях
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ: применение комплексных солей
(LiBH4, LiPF6, LiAsF6, LiClAl4)
8 Козадеров О.А. 2015
9. Неводные растворители:
проблема низкой электропроводности
Пропиленкарбонат,
этиленкарбонат:
(+) Высокая
диэлектрическая
проницаемость
соли хорошо
диссоциируют
(-) Большая вязкость
электропроводность
очень низкая
Диметоксиэтан:
(-) Низкая диэлектрическая
проницаемость
соли
диссоциируют плохо
(+) Низкая вязкость
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ: применение смешанных
растворителей
9 Козадеров О.А. 2015
10. Первые аккумуляторы с Li-анодом:
электрохимическая система Li│MnO2
токообразующая реакция – интеркаляция лития
хLi + MnO2 → LixMnO2
10 Козадеров О.А. 2015
12. Внутреннее короткое замыкание
Козадеров О.А. 201512
M. Winter, Symposium on Large Lithium Ion Battery Technology and Application (AABC-06), Tutorial B, Baltimore, May 15, 2006
13. Решение проблемы –
интеркаляция на обоих электродах
Отрицательный
электрод –
углеродная матрица,
в которую ионы лития
внедряются при
заряде и извлекаются
обратно при разряде
13 Козадеров О.А. 2015
14. Пассивная пленка на литий-графитовом аноде
Козадеров О.А. 201514
https://www.liv.ac.uk/chemistry/research/hardwick-group/research/
23. Преимущества Li-ионных аккумуляторов
высокое напряжение в диапазоне 2.5-4.2 В
ресурс 500-1000 циклов и более
высокая удельная энергия и мощность
низкий уровень саморазряда
отсутствие эффекта памяти (*)
возможность эксплуатации в широком диапазоне
температур
заряд при t от 20 до 60 °С
разряд при t от -40 до +65 °С
Козадеров О.А. 201523
24. Перезаряд
отрицательный электрод
ионы Li+
восстанавливаются с образованием
металлического лития, формируются дендриты, рост
которых может привести к короткому замыканию
положительный электрод
выделяется газообразный кислород
повышается внутреннее давление
электролит окисляется кислородом
Козадеров О.А. 201524
25. Переразряд
на положительных электродах могут быть
сформированы неактивные фазы катодного
материала, тем самым уменьшится содержание
активных веществ и снизится мощность устройства
эффект памяти
Козадеров О.А. 201525
26. Электронный контроллер
защищает аккумулятор
от превышения
напряжения заряда
контролирует
температуру
аккумулятора, отключая
его при перегреве
ограничивает глубину
разряда
Козадеров О.А. 201526
27. Применение и перспективы
Электропитание
портативной
электроники
сотовых телефонов
видео- аудио-
фототехники
ноутбуков
беспроводного
электроинструмента
Автомобильный
транспорт
27 Козадеров О.А. 2015
28. 1. Укажите, что окисляется при разряде
литий-ионного аккумулятора (Li, M, C, O)?
Что восстанавливается?
2. Объясните, почему комплексные соли
лития лучше растворяются в неводных
растворителях, чем простые?
3. Возможно ли создание Na-ионного
аккумулятора? Mg-ионного аккумулятора?
Кратко опишите преимущества таких
устройств по сравнению с Li-ионным, а
также вероятные проблемы, возникающие
при замене лития на натрий или магний, и
предложите подходящее, на ваш взгляд,
решение.
Задания
Козадеров О.А. 201528
