Розділ 2. Літій-іонні акумулятори

Революцію в розвитку перезаряджаються літієвих акумуляторів справило повідомлення про те, що в Японії розроблено акумулятори з негативним електродом з вуглецевих матеріалів. Вуглець виявився вельми зручним матрицею для інтеркаляції літію.

Для того щоб напруга акумулятора було достатньо великим, японські дослідники використовували в якості активного матеріалу позитивного електрода оксиди кобальту. Літерований оксид кобальту має потенціал близько 4 У відносно літієвого електрода, тому робоча напруга Li-ion акумулятора має характерне значення 3 В і вище.

При розряді Li-ion акумулятора відбуваються деінтеркаляція літію з вуглецевого матеріалу (на негативному електроді) і інтеркаляція літію в оксид (на позитивному електроді). При заряді акумулятора процеси йдуть в зворотньому напрямку. Отже, у всій системі відсутній металевий (нуль-валентний) літій, а процеси розряду і заряду зводяться до переносу іонів літію з одного електрода на інший. Тому такі акумулятори отримали назву «літій-іонних», або акумуляторів типу крісла-гойдалки.

Процеси на негативному електроді Li-ion акумулятора. В усіх Li-ion акумулятор, доведених до комерціалізації, негативний електрод виготовляють з вуглецевих матеріалів. Інтеркаляція літію у вуглецеві матеріали являє собою складний процес, механізм і кінетика якого в істотній мірі залежать від природи вуглецевого матеріалу і природи електроліту.

Вуглецева матриця, використана в якості анода, може мати упорядковану шарувату структуру, як у природного або синтетичного графіту, неупорядковану аморфну або частково впорядковану (кокс, піролізний або мезофазний вуглець, сажа та ін). Іони літію при впровадженні розсовують шари вуглецевої матриці і розташовуються між ними, утворюючи інтеркалати різноманітних структур. Питома обсяг вуглецевих матеріалів в процесі інтеркаляції-деінтеркаляції іонів літію змінюється незначно.

Крім вуглецевих матеріалів в якості матриці негативного електрода вивчаються структури на основі олова, срібла і їх сплавів, сульфіди олова, фосфориды кобальту, композити вуглецю з наночастинками кремнію.

Процеси на позитивному електроді Li-ion акумулятора. Якщо в первинних літієвих елементах застосовуються різноманітні активні матеріали для позитивного електрода, то в літієвих акумуляторах вибір матеріалу позитивного електрода обмежений. Позитивні електроди літій-іонних акумуляторів створюються виключно з літерованих оксидів кобальту або нікелю і з літій-марганцевих шпінелей.

В даний час в якості катодних матеріалів все частіше застосовуються матеріали на основі змішаних оксидів або фосфатів. Показано, що з катодами з змішаних оксидів досягаються найкращі характеристики акумулятора. Освоюються і технології покриттів поверхні катодів тонкодисперсними оксидами.

При заряді Li-ion акумулятора відбуваються реакції:

на позитивних пластинах:

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi + + xe-

на негативних пластинах:

З + xLi+ + xe- → CLix

де х - ступінь інтеркаляції (на перших 4-5 циклах має величину

0,5 <x <1,6, а на наступних 0,3 <x <0,8).