CO W KOMÓRCE PISZCZY - RZECZ O MINIATUROWYCH BATERIACH LITOWYCH I LITOWO-JONOWYCH

Prof. Władysław Wieczorek

Celem wykładu jest zapoznanie uczniów z podstawami technologii chemicznych źródeł prądu a w szczególności z metodami projektowania właściwości nowoczesnych baterii litowych i litowo jonowych.

We współczesnej technice jak również w życiu codziennym wzrasta znaczenie miniaturowych baterii, które stanowią źródło zasilania telefonów komórkowych, przenośnych komputerów, systemów łączności w ruchu lotniczym i kosmonautyce. Ze względu na tak szeroką gamę zastosowań współczesne baterie muszą spełniać szereg warunków, z których najważniejsze to:

• możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur

• uzyskiwanie wysokich gęstości prądu i mocy przy możliwej miniaturyzacji urządzenia

• stabilność chemiczna i elektrochemiczna

Jednocześnie wszyscy chcemy aby kupowane przez nas baterie były jak najtańsze, a po zużyciu (następującym po możliwie długim użytkowaniu) dały się bez problemu utylizować. Powyższe warunki składają się na powszechnie znaną i stosowaną w przemyśle chemicznym źródeł prądu regułę 3E (Energy, Economy, Envireonment) schematycznie przedstawiona na rysunku 1.

Stawia ona przed producentami konieczność poszukiwania takich materiałów do produkcji poszczególnych elementów ogniwa, które spełnią wszystkie trzy kryteria.

Uzyskiwanie jak najwyższych gęstości energetycznych wiąże się z maksymalizacją gęstości prądowych ogniw uzyskiwanych przy możliwie małym spadku napięcia pracy ogniwa i wysokim OCV (Open CircuitVoltage) - napięciu pracy ogniwa przy zerowym poborze prądu. Z ostatniego warunku wynika, ze materiały elektrodowe w ogniwie (anoda i katoda) powinny się różnić znacznie potencjałami standardowymi. Zachowanie tej reguły powoduje z kolei, że jednymi z najpowszechniej obecnie produkowanych miniaturowych baterii są ogniwa litowe lub litowo-jonowe. Schemat takiego ogniwa przedstawiono na rysunku 2.

Za elementy składowe takiego ogniwa mogą służyć następujące materiały:

Anoda: metaliczny lit lub jego stopy - ogniwo litowe; grafit interkalowany jonami litu - ogniwo litowo jonowe

Katoda: niestechiometryczne tlenki lub siarczki metali przejściowych, np. MNO2 mogące ulegać interkalacji kationami litowymi

Elektrolit: roztwory soli litu w silnie polarnych rozpuszczalnikach organicznych elektrolity ceramiczne lub szkliste, elektrolity polimerowe

Proces rozładowania ogniwa (związany z dostarczaniem energii) polega na wytworzeniu jonu litu na anodzie, dyfuzji tego jonu w elektrolicie w kierunku katody

i interkalacji w materiale katodowym. Podczas ładowania ogniwa zachodzą procesy odwrotne. W większości obecnie dostępnych w sprzedaży baterii jako elektrolit stosuje się roztwory soli litu w mieszaninie polarnych rozpuszczalników organicznych (węglan propylenu i węglan etylenu). Coraz częściej jednak zastępuje się te elektrolity ich stałymi odpowiednikami co wynika z następujących powodów:

• możliwość dalszej miniaturyzacji

• szerszy zakres stabilności temperaturowej, chemicznej i elektrochemicznej

• poprawa stabilności granicy faz elektroda - elektrolit

• możliwość pracy w warunkach nieważkości

• poprawa właściwości mechanicznych

Ze względu na naprężenia mechaniczne następujące w ogniwach litowych i litowo - jonowych w procesach interkalacji i de interkalacji następujących w kolejnych cyklach rozładowania i ładowania ogniwa korzystne jest stosowanie w bateriach elektrolitów polimerowych, których właściwości fizykochemiczne nie ulegają zmianom pod wpływem naprężeń mechanicznych. W Tabeli 1 podano podstawową charakterystykę elektrolitów polimerowych stosowanych w bateriach litowych lub (i) litowo - jonowych.

Tabela 1

Porównanie parametrów pracy baterii litowych w których zastosowano odpowiednio stały oraz żelowy elektrolit polimerowy.

Elektrolit	Przewodność jonowa 25^0C	Temperatura pracy	Gęstości prądu w temperaturze pracy
	S/cm	^0C	mA/cm^2
Stały polimerowy elektrolit	8x 10^-5	70-120	10
Żelowy polimerowy elektrolit	~2x10^-3	0-100	10

Należą one do dwóch grup polimerowych elektrolitów:

• stałych elektrolitów polimerowych będących kompleksami polimerów zawierających w łańcuchu głównym lub łańcuchach bocznych heteroatomy zdolne do koordynowania soli litowych oraz

• polimerowych żeli, będących układami trójskładnikowymi, w których roztwór soli litu w polarnym rozpuszczalniku organicznym jest zamknięty w polimerowej matrycy.

Aby elektrolit mógł być stosowany w baterii litowej powinien spełniać następujące warunki:

• wysoka przewodność jonowa w temperaturze pracy

• liczba przenoszenia kationów zbliżona do jedności

• niska energia aktywacji dla procesu przewodnictwa jonowego

• stabilność elektrochemiczna w szerokim zakresie potencjałów względem elektrody litowej

• dobra stabilność mechaniczna i termiczna

W przypadku elektrolitów polimerowych do podstawowych problemów jakie ograniczają możliwości ich zastosowań w bateriach litowych działających w temperaturach zbliżonych do temperatury otoczenia należą:

• zbyt niska przewodność jonowa

• liczby przenoszenia kationów wynoszące od 0.1 do 0.3

• tworzenie się warstw rezystywnych na granicy faz elektroda elektrolit o rezystancji rosnącej w funkcji czasu

Celem niniejszego wykładu jest przedstawienie charakterystyki baterii litowych i litowo jonowych oraz omówienie sposobu doboru materiałów do ich wykonania, które ilustrowane będzie zestawem doświadczeń.

Materiał wykładowy łączy w sobie informacje zawarte w kursie chemii i fizyki na poziomie szkoły ponadgimnazjalnej w tym w szczególności działy związane z:

• elektrochemią,

• rozpuszczalności soli i właściwościami roztworów,

• reakcjami metali alkalicznych z rozpuszczalnikami nieorganicznymi i organicznymi,

• podstawowe informacje z zakresu mocy, pracy prądu elektrycznego,

• właściwości materii (lepkość, gęstość, stała dielektryczna, przewodność jonowa),

• umiejętność stosowania jednostek w układzie SI i ich odpowiednie przeliczanie.

Podręcznik dla nauczyciela

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

4

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

---