лекция 6. литий ионные аккумуляторы
TRANSCRIPT
![Page 1: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/1.jpg)
Современные химические источники тока
Лекция 6. Литий-ионные аккумуляторы
![Page 2: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/2.jpg)
Образцылитий-ионных аккумуляторов
2 Козадеров О.А. 2015
Первый литий-ионный аккумулятор выпустила корпорация Sony в 1991 году
![Page 3: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/3.jpg)
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. 20153
![Page 4: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/4.jpg)
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
CH3 CH CH2
O O
C
O
2Li Li2CO3 CH3 CH CH2
CH2 CH2
O O
C
O
2Li Li2CO3 H2C CH2
Li + H2O = Li+ + OH- + ½H2↑
4 Козадеров О.А. 2015
![Page 5: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/5.jpg)
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
5 Козадеров О.А. 2015
![Page 6: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/6.jpg)
Требования к неводным растворителям
1. Устойчивость лития
2. Способность образовыватьА) концентрированныеБ) высокоэлектропроводныерастворы литиевых солей
6 Козадеров О.А. 2015
![Page 7: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/7.jpg)
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)
7 Козадеров О.А. 2015
![Page 8: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/8.jpg)
Неводные растворители:проблема низкой электропроводности
Пропиленкарбонат, этиленкарбонат:
(+) Высокая диэлектрическая проницаемость
соли хорошо диссоциируют
(-) Большая вязкостьэлектропроводность очень низкая
Диметоксиэтан:
(-) Низкая диэлектрическая проницаемость
соли диссоциируют плохо
(+) Низкая вязкость
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ: применение смешанных растворителей
8 Козадеров О.А. 2015
![Page 9: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/9.jpg)
Первые аккумуляторы с Li-анодом:электрохимическая система Li│MnO2
токообразующая реакция – интеркаляция лития
хLi + MnO2 → LixMnO2
9 Козадеров О.А. 2015
![Page 10: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/10.jpg)
Циклирование аккумулятора:проблема дендритообразования
10 Козадеров О.А. 2015
![Page 11: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/11.jpg)
Внутреннее короткое замыкание
Козадеров О.А. 201511
M. Winter, Symposium on Large Lithium Ion Battery Technology and Application (AABC-06), Tutorial B, Baltimore, May 15, 2006
![Page 12: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/12.jpg)
Решение проблемы –интеркаляция на обоих электродах
Отрицательный электрод –углеродная матрица, в которую ионы лития внедряются при заряде и извлекаются обратно при разряде
12 Козадеров О.А. 2015
![Page 13: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/13.jpg)
Пассивная пленка на литий-графитовом аноде
Козадеров О.А. 201513
https://www.liv.ac.uk/chemistry/research/hardwick-group/research/
![Page 14: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/14.jpg)
Литий-ионный аккумулятор
14 Козадеров О.А. 2015
![Page 15: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/15.jpg)
(–) LixC | неводный электролит | Li1-xMO2 (+)
отрицательный электрод:
положительный электрод:
токообразующая реакция (перекачка ионов Li+):
Электрохимическая ячейка и реакции
15 Козадеров О.А. 2015
![Page 16: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/16.jpg)
Электродные материалы
Анод графит, кокс
Козадеров О.А. 201516
![Page 17: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/17.jpg)
Электродные материалы
Катод литированные оксиды металлов
литий-кобальт-оксид (кобальтат лития) LiCoO2 литий-никель-оксид (никелат лития) LiNiO2 литий-марганец-оксид (манганит лития) LiMnO2,
LiMn2O4
литий-фосфат железа LiFePO4
Козадеров О.А. 201517
![Page 18: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/18.jpg)
Структуры катодных материалов
Козадеров О.А. 201518
![Page 19: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/19.jpg)
Козадеров О.А. 201519
![Page 20: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/20.jpg)
Электролит Жидкий раствор комплексной соли лития в
неводном растворителе Этиленкарбонат Пропиленкарбонат Диметилкарбонат Диэтилкарбонат Этилметилкарбонат Диметоксиэтан
Полимерный Сухой Гель-полимерный Микропористый
Козадеров О.А. 201520
![Page 21: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/21.jpg)
Устройство аккумулятора
Козадеров О.А. 201521
![Page 22: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/22.jpg)
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. 201522
![Page 23: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/23.jpg)
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. 201523
![Page 24: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/24.jpg)
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. 201524
![Page 25: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/25.jpg)
Электронный контроллер защищает
аккумулятор от превышения напряжения заряда
контролирует температуру аккумулятора, отключая его при перегреве
ограничивает глубину разряда Козадеров О.А. 201525
![Page 26: лекция 6. литий ионные аккумуляторы](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022062412/58eee8e81a28ab7c468b45e5/html5/thumbnails/26.jpg)
Применение и перспективы Электропитание
портативной электроники сотовых
телефонов видео- аудио-
фототехники ноутбуков беспроводного
электроинструмента
Автомобильный транспорт
26 Козадеров О.А. 2015