Анод и катод в литий-ионной батарее - работа, химические реакции и материалы

В этот быстрорастущий век технологий, окруженный электронными приборами и оборудованием, батареи стали очень важными. Эти батареи контролируют почти все аспекты нашей повседневной жизни, и их роли играют разные типы. Батареи - это электрохимические устройства, в которых используется химия для выработки электроэнергии. Батареи состоят из двух частей: катода и анода. Катод - это оксид металла, а анод - из углерода или графита. Катод и анод играют важную роль в химических реакциях, производящих электрическую энергию.

Как работают анод и катод в литий-ионных батареях

Как и любая другая электролитическая реакция, реакция внутри литий-ионного аккумулятора такая же. Обмен ионами происходит между анодом и катодом с помощью промежуточного материала, электролита.

Во время разряда батареи ионы лития перемещаются от анода (отрицательный электрод) к катоду (положительный электрод) через электролит. В то время как во время процесса зарядки литий-ионного аккумулятора ионы перемещаются от катода (положительный электрод) к аноду (отрицательный электрод).

Катод литий-ионных аккумуляторов состоит из интерполированного литиевого соединения, диоксида лития-марганца. Анод, как правило, состоит из углерода. Во время фазы разряда батареи на аноде происходит реакция окисления, которая производит ионы лития (положительные), электроны (отрицательные) и некоторые побочные продукты на аноде. Ионы лития и электроны проходят через электролиты, которые затем воссоединяются на катоде в реакции восстановления.

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Электролит литий-ионного аккумулятора представляет собой комбинацию солей лития. Внешний контур обеспечивает проводящий путь для ионов лития и электронов, образующихся во время реакции. Электролит сам по себе не участвует в реакциях аккумулятора. Реакции, происходящие во время процесса разряда, снижают химическую мощность элемента, который, в свою очередь, передает электрическую энергию любой нагрузке, подключенной к нему через внешнюю схему. В процессе зарядки все эти шаги меняются местами. На этом этапе внешняя схема обеспечивает электрическую энергию для начала процесса зарядки, и эта электрическая энергия сохраняется в форме химической энергии (полученной в результате реакций) внутри элемента.

Какова химическая реакция в литий-ионных батареях

1. полуклеточные реакции

А. Реакция узла (при разряде батареи):

На аноде литий окисляется от Li до Li +. Означает, что степень окисления изменяется от 0 до +1. Продолжающаяся химическая реакция на литий-графитовом аноде символически представлена как:

LiC6 C6 + Li + + e–

б) Катодная реакция (при разряде батареи):

Эти ионы лития от анода мигрируют в среду к катоду через электролит. Здесь они включаются в оксид лития-кобальта. А здесь он снижает степень окисления кобальта с +4 до +3. Вся эта реакция, протекающая на катоде, символически представлена как:

CoO2 + Li + + e- LiCoO2 (т)

2.Общая реакция (при разрядке аккумулятора)

Эти химические реакции происходят при разряде аккумулятора. Общая химическая реакция символически представлена как:

LiC6 + CoO2 C6 + LiCoO2

3. химическая реакция (при перезарядке аккумулятора):

При перезарядке аккумулятора или элемента все эти реакции происходят в обратном порядке. Это означает, что ионы лития уходят, и связь на катоде из оксида лития-кобальта разрывается. Эти ионы лития снова возвращаются на анод. Здесь они снова сокращаются и интегрируются в графитовую систему.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Какие материалы анода и катода подходят для литий-ионных батарей

Анод и катод образуют основные части элемента, которые вызывают реакции, которые помогают батареям выполнять свою основную функцию, обеспечивая электрическую энергию. Чтобы поддерживать оптимальные и эффективные характеристики батареи без каких-либо химических или электрических опасностей, до сих пор в коммерчески доступных элементах использовались следующие материалы.

Катодные материалы

Катодные материалы обычно изготавливаются из LiCoO2 или LiMn2O4.

Материалы на основе кобальта

Материал на основе кобальта имеет псевдотетраэдрическую структуру, которая обеспечивает двумерную диффузию ионов лития. Катоды на основе кобальта идеальны из-за их высокой теоретической удельной теплоемкости, большой объемной емкости, низкого саморазряда, высокого напряжения разряда и хороших циклических характеристик.

Материалы на основе марганца

Материалы на основе марганца имеют систему кубической кристаллической решетки, которая обеспечивает трехмерную диффузию ионов лития. Марганцевые катоды привлекательны, потому что марганец дешевле и потому, что теоретически его можно использовать для создания более эффективных и долговечных батарей, если можно будет преодолеть его ограничения. LiFePO4 также является кандидатом для крупномасштабного производства литий-ионных аккумуляторов, например, для электромобилей, из-за его низкой стоимости, превосходной безопасности и высокой долговечности.

Анодные материалы

В настоящее время для изготовления анодов используются три наиболее распространенных материала:

Аноды на углеродной основе

Графит - наиболее распространенная форма углерода, используемая в конструкции анодов на основе углерода. Эти аноды состоят из листов шестиугольной и ромбоэдрической формы. Когда литий-ионный элемент соприкасается с анодом, графитовые листы меняются местами. Аноды на основе углерода экономичны и легко доступны. Они также обладают наиболее подходящими электрохимическими свойствами, необходимыми для литий-ионных аккумуляторов.

Неграфитовые аноды

Поскольку литий-ионные аккумуляторы подвергаются исследованиям и постоянным разработкам, прогресс в использовании современного графитового углерода был сделан. Ученые сообщили, что использование измененных графитовых форм помогает улучшить электрохимические характеристики. Эти нечистые формы графита не обладают свойством графита перестраиваться в слои. Неграфитовые аноды эффективно работают в сочетании с твердыми электролитами и могут работать в паре с оксидом лития-марганца.

Литий-сплавные аноды

Литий-сплавные аноды - одно из многих недавних дополнений к технологии литий-ионных аккумуляторов. Литий-алюминиевый, Li-Al, анод - это первый анод из литиевого сплава, разработанный в этой категории. Эти аноды из сплава предлагают большие преимущества в переработке литиевых батарей. Литий-титановый оксид - еще один анод из сплава, разработанный для замены традиционных углеродных анодов. Эти аноды предлагают дополнительные преимущества, поскольку они предлагают улучшенные циклы из-за отсутствия объемных изменений, которые происходят во время процесса добавления и удаления лития. Проблема с этими анодами заключается в том, что они не могут производить выходную энергию с высокой плотностью из-за высокого уровня рабочего напряжения.