Bateriile de Tipul Litiu-Ion

Introducere

Bateriile litiu-ion (LIB) reprezinta o familie de baterii reincarcabile in care ionii delitiu trec de la electrodul negativ la electrodul pozitiv in timpul descarcarii si invers inmomentul incarcarii.Performantele,costurile si caracteristicile de siguranta variaza dela un tip de baterie la altul.Bateriile litiu-ion sunt cel mai des folosite in aparatele electornice portabile.Suntunele dintre cele mai populare tipuri de baterii reincarcabile avand cea mea maredensitate de energie si o foarte inceata descarcare atunci cand nu sunt folosite.

Incarcarea si descarcarea

In timpul descarcarii ,ionii de Litiu (Li+ ) conduc curentul electric de la electrodul pozitiv la cel negativ.In timpul incarcarii o sursa de curent electric externa aplica unvoltaj de aceeasi polaritate dar mai ridicat decat cel produs de baterie fortand curentulsa treaca in directia opusa.Ionii de litiu migreaza de la electrodul pozitiv la celnegativ,unde aceastia sunt incorporati in materialul poros al electrodului proces numitintercalare.

Constructia

Cele 3 componente principale in functionarea unei baterii Litiu-ion suntanodul,catodul si electrolitul.Anodul unei baterii LIB este construit din carbon, anoduldintr-un oxid metalic iar electrolitul este un solvent organic sau sare de litiu.Anodul cel mai frecvent folosit in bateriile portabile este grafitul.Catodul este deobicei unul din cele 3 materiale :un strat de oxid ( ex. de litiu cobalt ) ,un polianion sau un oxid de litiu magneziu.Electrozii sunt de obicei un amestec organic de carbonati precum carbonatde etilenă sau carbonat de dietil care contine un complex de ioni de litiu.În funcţie de materiale alese , tensiune, capacitate, de viaţă, şi siguranţa unei bateriilitiu-ion se poate schimba dramatic. Recent, arhitecturi noi folosind ajutorulnanotehnologiei au fost folosite pentru a îmbunătăţi performanţa.Litiul pur este foarte reactiv. Acesta reacţionează puternic cu apa pentru a formahidroxid de litiu şi gaz de hidrogen. Astfel, un electrolit neapos este de obiceifolosit, şi un container sigilat exclude apa din acumulatorul.Bateriilor litiu-ion sunt mai scumpe decât bateriile NiCd, dar funcţionează pe uninterval de temperatură mai mare cu o densitate de energie mai mare, fiind în acelaşitimp mai mici şi mai uşoare. Acestea sunt fragile si au nevoie de un circuit de protecţie pentru a limita tensiune de vârf

Tipuri de baterii litiu-ion

Celulele Li-ion sunt disponibile în diverse formate, care pot fi în general împărţite în patru grupe:

-mici,cilindrice (corp solid, fără terminale, cum ar fi cele utilizate în baterii delaptop)

-mari,cilindrice (corp solid cu terminale mari filetate)

-pungă (corp moale, plat, cum ar fi cele utilizate în telefoane mobile)

-prismatic (plastic semi-tare cu terminale mari filetate, de multe ori folosite în cutii pentru tracţiune vehiculelor

Descriere MODEL baterie

Anod:C

Catod:oxid de Li şi Co

Electrolit:Deoarece litiul reacţionează violent cu apa şi tensiunea este suficient demare pentru a putea descompune apa, trebuie folosit un electrolit ne-apos. Un exemplu tipiceste LiPF6 dizolvat într-un amestec de carbonat de etil şi carbonat dimetilic.

Tensiune electromotoare generată:3,7 V

Cicluri de încărcare - descărcare:500-1000

Structura:tri-strat cu electrod pozitiv (LiCoO2), electrod negativ (cărbune special) şistratseparator. Este echipată cu o serie de dispozitive pentru creşterea siguranţei inclusiv ovalvă de gaz cu rol anti-explozie.

Utilizare: camere video şi foto, aparate electrice de ras, calculatoare, echipamentemedicale, echipamente de comunicaţii, TV şi radio portabile, pagere etc. Eleînlocuiesc bateriile de tip NiMH şi sunt sursele preferate de energie în telefoane mobile.

Avantaje-dezavantaje: densitate înaltă de energie şi tensiune mare (de 3 ori cea aunei pile Ni-Cd sau NiMH), comportare excelentă cu temperatura, auto-descărcare foartelentă(poate păstra încărcarea şi 10 ani), nu prezintă efect de memorie, multiple cicluri deîncărcare (500-1000 cicluri).Pentru a evita şi depăşi problemele legate de reactivitatea accentuată a litiului,materialulanodic nu este metalul pur ci un compus nemetalic (ex. C) care poate stoca şi realizaschimbul de ioni de litiu. Ca acceptor al ionilor de litiu se foloseşte de ex. CoO2, carefuncţionează drept catod.

Reacţiile la electrozi:Anod (-):

C + xLi+ + xe- CLix

Catod (+):

LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

Globală:

LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + Clix

Acumulatorul (bateria) Litiu - polimer

Bateria litiu-polimer este de fapt tot o baterie litiu ion al cărei electrolit este un polimer solid, el este însă în strat foarte subţire pentru a-i scădea rezistivitatea

Electrochimie

Cei trei participanti in reactiile electrochimice intr-o baterie de Litiu-ion sunt anodul,catodul si electrolitul.Atat anodul cat si catodul sunt materiale din care si catre carelitiul poate migra.In timpul intercalarii (insertiei) litiul se deplaseaza spre electrod.Intimpul procesului invers (extractia) .litiul iese din electrod.Atunci cand o celula de litiu se descarca,litiul este extras din anod si inserat in catod. Atunci cand celula sedescarca procesul invers are loc.Acest procedeu decurge corect daca electronii strabat un circuit externinchis.

Universitatea Politehnica din Bucureşti, Facultatea de Chimie Aplicată şi Ştiinţa Materialelor