Навчальний проект Електроліти в сучасних акумуляторах

Навчальний проект 1. Електроліти в сучасних акумуляторах

Проблема, яку необхідно розв’язати під час дослідження: в умовах дефіциту енергетичних потужностей та паливних ресурсів на Землі, проблема перетворення й накопичення енергії набувають особливої гостроти. Тому вивчення умов функціонування та виробництва хімічних джерел струму є надзвичайно важливим для людства.

План проведення дослідження

1. Мета: поглиблення знань учнів про сучасні акумулятори, їх використання в побуті, науці та техніці, а також утилізацію використаних акумуляторів.
Завдання: ознайомитися з науковими джерелами з даної теми, проаналізувати матеріал, донести до учнів основні поняття: "електроліти", "сучасні акумулятори".

2. Опис суті дослідження. Ознайомлення з різними видами акумуляторів (розкрити суть поняття "акумулятори"), їхньою будовою та принципом роботи (на прикладі пальчикової батарейки) та підняття проблеми утилізації акумуляторів.

3. Висновки. Готуючи проект ми ознайомилися з основними електролітами, які використовуються у науці, техніці та побуті, дізналися про їх позитивні та негативні сторони, а також розглянули проблеми утилізації акумуляторів та їх вплив на довкілля.

4. Одержані результати: ми ознайомилися з різними типами електролітів (нікелево-кадмієві, літієво-іонні, літієво-полімерні, свинцево-кислотні), розглянули їх переваги і недоліки, історію винайдення. Ми зрозуміли, що сьогодні гостро стоїть питання використання цих акумуляторів, оскільки до їх складу входять токсичні метали.

Дослідники з Національної лабораторії Оак-Рідж (ORNL) розробили нову перспективну конструкцію акумуляторних батарей на основі твердого електроліту, до складу якого входить літій і сірка (Li-S). Такі акумуляторні батареї дешевші у виробництві і мають більш високу ємність накопичуваної енергії ніж традиційні літій-іонні акумулятори. Завдяки використання твердого електроліту, Li-S акумулятори більш довговічні і набагато більш безпечніші в експлуатації ніж акумулятори з рідким електролітом.

Li-S акумулятори вважаються деякими експертами як наступники літій-іонних акумуляторних батарей. Вони надзвичайно легкі, що дозволяє використовувати їх для забезпечення польотів на сонячній енергії, вони дешеві у виробництві, досить довговічні і демонструють високе значення показника енергетичної ємності. Але, нажаль, ця технологія ще достатньо "сира", і її головною проблемою є проблема підходящого електроліту, оптимальний склад якого поки ще не був знайдений.

У попередніх спробах створення Li-S акумуляторів дослідники використовували рідкі електроліти. Але використання рідкого електроліту є монетою з двома сторонами, з одного боку - рідина, наповнена іонами, є чудовим провідником електричного струму, але з іншого боку рідкий електроліт деградує з часом і зі збільшенням кількості циклів зарядження-розрядження це призводить до передчасного виходу батареї з ладу. Крім цього, деякі рідкі електроліти вогненебезпечні, що є суттєвою проблемою при експлуатації акумуляторних батарей.

Але тепер, за словами дослідників, їм вдалося знайти вирішення вищевказаних проблем. Ним став новий склад твердого електроліту, основою якого стало поєднання літію і полісульфідфосфатів, багатих сіркою матеріалів з високою питомою електричною провідністю. "Наша технологія, у якій використовується твердий Li-S-електроліт, позбавлена більшої частини недоліків, якими володіють акумулятори з рідким електролітом" - розповідає доктор Ченгду Лянг (Dr. Chengdu Liang), - "Дослідні зразки Li-S батарей витримують без погіршення їх характеристик велику кількість циклів, не втрачаючи ємність, як літій-іонні акумулятори".

Дослідні зразки Li-S акумуляторів після 300 циклів зарядження-разрядження, проведених при температурі у 60 градусів за шкалою Цельсія, зберегли питому ємність у 1200 мА*год / г. Для порівняння, аналогічний показник літій-іонних акумуляторів становить 140-170 мА*год / г, але Li-S акумулятори виробляють половину напруги, яку виробляють літій-іонні акумулятори. Тому восьмикратне збільшення ємності енергії призводить фактично до чотириразового збільшення ємності акумуляторної батареї.

У складі Li-S акумуляторної батареї використовується сірка, яка у великих кількості утворюється як побічний продукт нафтопереробки. Це дозволить використовувати розроблену технологію, як один із способів утилізації промислових відходів, які накопичуються у великих кількостях. У даний час нова технологія виробництва Li-S акумуляторів знаходиться у вигляді, що не дуже підходить для практичної її реалізації. Але доктор Ліенг і його група подали патентну заявку і після оформлення відповідного патенту планують доопрацювати технологію до потрібного рівня, який дозволить налагодити масове виробництво нових акумуляторних батарей.

Електроліт лужної натрієво-літієвий широко застосовується в автомобільній і гірничо-видобувної промисловості. Головне призначення цього електроліту - заповнення різних лужних акумуляторів. Його використовують для наповнення акумуляторів електричних навантажувачів та спеціальних шахтних електровозів. 

Електроліт кислотний застосовується для заливання в свинцеві акумулятори легкового та вантажного автотранспорту. 
Для приготування електроліту у ванну, футерованную свинцем, наливають плавиковую кислоту HF і в неї додають борну кислоту Н ₃ ВО _3.Отриману борфтористоводородной кислоту HBF ₄ фільтрують і, розчиняють у ній вуглекислий кадмій. Для отримання блискучого покриття застосовують електроліт такого складу, г / л. Покриття виробляють при катодній густини струму 9-10 А/дм2 і температурі 50 ° С. 
При кадміювання деталей складної геометричної форми застосовують амміакатние електроліти, розсіююча здатність яких вище, ніж кислих. Найчастіше застосовується електроліт такого складу, г / л. 
Покриття проводять при катодній густини струму 0,5 - 1,0 А/дм2, рН = 6,9 і температурі ванни 20-25 ° С. Цей електроліт має гарну буферною ємністю і не вимагає частих коригувань. 
З введенням декстрину поліпшується структура поверхні і підвищується катодна поляризація. Введення флюоресціна сприяє отриманню мелкокристаллической структури. 
Ціанисті електроліти дозволяють одержувати покриття дуже високої якості, проте в силу високої токсичності компонентів і необхідності застосовувати дорогі та складні очисні споруди для очищення зворотних вод ці електроліти на світлотехнічних заводах не застосовують. 
Інші електроліти, такі, як фенолсульфатние і етилендіамінового, не набули широкого застосування, так як робота з ними малопродуктивною. 
Пасивування кадмієвих покриттів проводять значно рідше, ніж цинкові. 
При пасивування деталі занурюють на 5-10 с в розчин, після чого їх виймають і ретельно промивають у проточній воді, сушать деталі в потоці теплого повітря. 

Літій-іонний акумулятор (англ. Lithium-ion battery, скорочено Li-ion) — один з двох основних типів літієвихелектричних акумуляторів з категорії вторинних електричних батарей, який різниться з літій-полімерним акумулятором лише типом електроліту, що використовується при їх виготовленні. Широко розповсюджений в побутовій електроніці.

Назву літій-іонні акумулятори одержали через те, що електричний струм в зовнішньому колі з'являється через перенос літієвих іонів від анода до катода на основі різних сполук.

Хімічний склад, експлуатаційні характеристики, вартість та безпечність акумуляторів відрізняються залежно від типу літій-іонних акумуляторів. Найбільш поширеним у переносній електроніці є акумулятори з катодом на оксиді кобальта (LiCoO₂), що мають високу енергетичну густину, але мають недолік з точки зору безпеки експлуатації, особливо при пошкодженні.

Літій-ферум-фосфатні (відомі як літій-залізо-фосфатні, LiFePO₄), літій-манган-оксидні (LiMn₂O₄, Li₂MnO₃ або літій-манганові акумулятори LMO) та літій-нікель-манган-кобальт-оксидні (LiNiMnCoO₂ чи NMC) акумулятори, що теж названі за типом катоду, пропонують нижчі рівні енергетичної густини, але мають довший життєвий цикл та безпечніші з хімічної точки зору. Такі акумулятори широко застосовуються в електроінструментах, медичному обладнанні та ін. NMC, зокрема, є лідером за використанням у автомобільній промисловості.

Літій-нікель-кобальт-алюміній-оксидні (LiNiCoAlO₂ або NCA), що теж названий за катодом, та літій-титанатові (Li₄Ti₄O₁₂ чи LTO) акумулятори (назва останнього за анодом), спеціально розроблені для певних нішових ролей. Нові літій-сульфурні акумулятори обіцяють найвище відношення експлуатаційних характеристик до ваги.

Подібна кваліфікація за назвами є не науковою, а радше маркетинговою, оскільки проводяться роботи з розробки акумуляторів з катодом LiFePO₄ та анодом Li₄Ti₄O₁₂, що у цій системи не матиме простої назви.

Перший літій-іонний акумулятор вивела на ринок корпорація Sony в 1991 році.

Сучасні літій-іонні акумулятори мають високі показники: 100–180 Вт*год/кг і 250–400 Вт*год/дм³, робоча напруга — 3,5-3,7 В.

·         Енергетична місткість: 110 … 200 Вт*год/кг

·         Внутрішній опір: 150 … 250 мОм (для батареї 7,2 В

·         Число циклів заряд/розряд до втрати 20% міскості: 500–1000

·         Час швидкого заряду: 2-4 години

·         Допустимий перезаряд: дуже низький

·         Саморозряд при кімнатній температурі: 7% в рік

·         Напруга максимальна в елементі: 4,18..4,20 В (повністю заряджений)

·         Напруга мінімальна: 2,5..2,75 В(повністю розряджений)

·         Струм навантаження відносно міскості (С):

·          — піковий: понад 2С

·          — найбільше допустимий: до 1С

·         Діапазон робочих температур: −20 — +60 °C

·         обслуговування: не реґламентується

До недоліків Li-ion акумуляторів варто віднести чутливість до перезарядження і сильного розряду, через це вони повинні мати обмежувачі заряду й розряду.

Принцип роботи Li-ion акумуляторів заснований на переміщенні позитивно заряджених іонів літію Li+ між позитивними й негативними електродами в процесі розрядки й зарядки. Металевий літій у цих процесах участі не бере, тому не виникає будь-яких проблем з відновленням електродів, що забезпечує стабільність і безпеку при використанні батареї.

Наявність негативного електрода, який приймає і віддає іони, є загальним для всіх систем, але існує широкий вибір матеріалів, придатних для реалізації позитивного електрода й здатних забезпечувати різницю потенціалів між електродами до 3 В.

Для нормальної роботи будь-якої електрохімічної батареї необхідно як мінімум три компоненти: два електроди й електроліт, що забезпечує перенос іонів. У малогабаритних батареях електроліт може бути твердим, рідким і желеподібним. Рідкі електроліти застосовуються, як правило, у клеєних циліндричних батареях, але через високу небезпеку займання вони не знайшли застосування в інших системах. Для розробки твердих електролітів для літієвих акумуляторів, що мають можливість перезаряджання, пішло два десятиліття напружених досліджень. На їх основі стало можливим створення тонких і пласких батарей, але з невеликим діапазоном робочих температур та малою потужністю.

Процеси на негативному електроді Li-ion акумулятора. Для всіх типів Li-ion акумуляторів, які доведені до комерціалізації, негативний електрод виготовляється з вуглецевих матеріалів. Інтеркаляція літію у вуглецевих матеріалах - це складний процес, механізм і кінетика якого істотно залежать від природи вуглецевого матеріалу і природи електроліту.

Вуглецева матриця, яка застосовується в аноді, може мати впорядковану шарувату структуру, як у природного або синтетичного графіту, невпорядковану аморфну або частково впорядковану (кокс, піролізний або мезофазний вуглець, сажа та ін.).

Іони літію при впровадженні розштовхують шари вуглецевої матриці і розташовуються між ними, утворюючи інтеркаляти різноманітних структур. Питомий обсяг вуглецевих матеріалів у процесі інтеркаляції-деінтеркаляції іонів літію значно не змінюється.

Крім вуглецевих матеріалів як матрицю негативного електрода використовують структури на основі олова, срібла і їх сплавів, сульфіди олова, фосфатикобальту, композити вуглецю з наночастками кремнію.

Процеси на позитивному електроді Li-ion акумулятора. Якщо в первинних літієвих батареях застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то в літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений.

Позитивні електроди літій-іонних акумуляторів створюються винятково з літійованих оксидів кобальту або нікелю і з літій-марганцевих шпінелей.

У даний час як катодні матеріали все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів.

3 практики видно, що з використання катодів зі змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються і технології покриття поверхні катодів тонкодисперсними оксидами. При заряді Li-ion акумулятора відбуваються реакції на позитивних пластинах:

LiCo0₂ → Li 1-хСоО₂ + xLi+ + хе-

і на негативних пластинах:

С + xLi+ + хе- → CLix.

При прикладенні постійної напруги іони літію виходять з анода, проходять через електроліт і осідають у графіті, заряджаючи його. При відключенні напруги в електроліті утворюється подвійний шар, який не дозволяє іонам перебігти назад. Розрядка відбувається практично тільки за рахунок електричного струму через зовнішнє коло.

Маркування

Відповідно до принципів позначень МЕК (Міжнародної електротехнічної комісії) у найменуванні літій-іонних акумуляторів перша буква І означає електрохімічну систему, друга - матеріал катода (С, N або М для кобальту, нікелю або марганцю), третя буква R або Р - конструктивне виконання (циліндричне або призматичне). Цифри після букв позначають у циліндричних акумуляторах діаметр (мм, дві цифри) і висоту (десятих мм, три цифри), призматичних - довжину, ширину й висоту (мм) послідовно.

Багато компаній уводять свої літерні позначення типів, але цифри в їх найменуваннях відповідають вимогам МЕК.

Заходи безпеки при поводженні з акумулятором

Для запобігання витоку електроліту, нагрівання й вибуху потрібно дотримуватись таких правил безпеки:

• не занурювати акумулятор у воду, зберігати його в сухому прохолодному місці, якщо він не використовуться;
• не використовувати і не залишати акумулятор поблизу джерел відкритого вогню або тепла;
• для зарядження використовувати тільки призначені для цього акумулятора зарядні пристрої;
• не підключати акумулятор до пристроїв, не призначених для живлення від нього;
• не кидати акумулятор у вогонь і не нагрівати його;
• не замикати між собою позитивний і негативний виводи акумулятора металевими предметами або дротами;
• не зберігати акумулятор разом з металевими предметами, такими як скріпки або шпильки;
• не зчавлювати, не кидати й не піддавати акумулятор механічним впливам;
• не паяти акумулятор та не проколювати його гострими предметами.