Ioniset litiumparistot

Ionisista litiumparistoista ja -kennoista on tullut yhä suositumpia elektroniikkasuunnittelussa. Koska kennojännite on yli 3 volttia, niitä voidaan käyttää useimmissa akkulaitteissa. Ioniset litiumparistot koostuvat anodista ja katodista, jotka on erotettu toisistaan erottimella ja elektrolyytillä. Niiden toimiessa litiumionit liikkuvat elektrodien välillä hapetuspuolireaktion kautta, joka synnyttää vapaita elektroneja, jotka kulkevat anodivirtakeräintä pitkin anodivirtakeräimeen.

Pitkäkestoinen teho

Ioniset litiumparistot ovat paljon kevyempiä, tehokkaampia ja pitkäikäisempiä kuin lyijyhappoparistot. Lisäksi niitä voidaan säilyttää joko pystyasennossa tai kyljellään ja ne voivat silti säilyttää täyden latauksen - tämä säästää tilaa työkalupenkillä tai autotallin lattialla ja poistaa selän rasitusta, joka aiheutuu raskaampien akkujen kuljettamisesta, sillä ne eivät säilytä latausta yhtä tehokkaasti tai pidä virtaa yhtä pitkään.

Litiumionit siirtyvät elektrodien välillä purkautumisen ja latautumisen aikana interkalaation ja uuttamisen kautta, mikä varmistaa, että ne jakautuvat tasaisesti molemmille elektrodeille ilman tilavuuden muutosta, mikä johtaa alhaisiin jännitteisiin ja erinomaiseen suorituskykyyn. Grafiittianodit mahdollistavat litiumionien fyysisen sijoittamisen grafeenin 2D-kerrosten väliin ilman merkittävää tilavuuden laajenemista latauksen tai purkauksen aikana; muihin materiaaleihin, kuten piihin, mahtuu paljon suurempi määrä litiumioneja, mutta ne laajenevat merkittävästi latauksen tai purkauksen aikana, mikä heikentää kapasiteettia ja syklin vakautta merkittävästi.

Litiumioniakut erottuvat muista akuista erittäin alhaisella itsepurkautumisnopeudellaan, joka on vain 1,5%-2% kuukaudessa, mikä tekee niistä erinomaisen vaihtoehdon hätävaravoimajärjestelmiin, retkeilyyn ja radioamatöörien käyttöön. Lyijyhappo- ja nikkelipohjaiset akut voivat menettää jopa 10% kuukaudessa, kun ne jätetään käyttämättä; tähän verrattuna ionisten litiumakkujen etuna on, että ne pysyvät käyttökelpoisina myös epäsuotuisissa lämpötilaolosuhteissa.

Korkea energiatiheys

Ionisista litiumparistoista on tullut ensisijainen valinta monien nykyaikaisten elektroniikkalaitteiden virransyöttöön, koska niiden yhdistelmä tekijöitä - suhteellisen alhaiset kustannukset, suuri varauksen varastointikapasiteetti ja kierrätysystävällisyys - tekee niistä alan standardin suuren energiamäärän akkujen varastointitarpeissa.

Litiumioniakut käyttävät ulkoista virtapiiriä sähköenergian tuottamiseen syöttämällä kuhunkin kennoon ulkoisen jännitteen, joka pakottaa elektronit negatiivisesta elektrodista elektrolyytin läpi positiiviseen elektrodiin, kun taas samanaikaisesti litiumionit siirtyvät positiivisesta elektrodista negatiiviseen elektrodiin interkalaatioprosessin kautta.

Purkautuminen tapahtuu, kun elektronit ja litiumionit eroavat toisistaan ja yhdistyvät katodissa oleviin sähkövarauksiinsa, kulkevat elektrolyytin läpi anodille, jossa ne ladataan takaisin. Tämä palautuva prosessi johtuu litiumin pienestä atomisäteestä ja korkeasta standardipelkistyspotentiaalista, mikä tekee siitä erittäin reaktiivisen eri materiaalien kanssa.

Kaupalliset LIB-elementit perustuvat usein grafiitti-interkalaatioanodeihin, jotka varastoivat litiumioneja yksittäisten 2D-kerrosten väliin, jotka muodostavat bulkkigrafiitin, jonka teoreettiseksi latauskapasiteetiksi on arvioitu 339 mAh g-1 ja joka mahdollistaa nopeat lataus- ja purkaussyklit. Valitettavasti litiumionien pitkä diffuusiopolku johtaa kuitenkin jännitteen heikkenemiseen. Tämän ongelman torjumiseksi tutkijat tutkivat erilaisia insertointikatodeja, jotka sisältävät siirtymämetallien kalkogenidejä, joiden ionisäde on suurempi kuin litiumin.

Alhainen itsepurkautumisnopeus

Akut menettävät luonnostaan osan varauksestaan ajan myötä, kun niitä ei käytetä, ja tämä ilmiö tunnetaan nimellä itsepurkautuminen. Tämä määrä riippuu muun muassa lämpötilasta, iästä ja varastointiolosuhteista. Ionisten litiumakkujen itsepurkautumisaste on alhainen muihin akkutyyppeihin verrattuna, joten ne voivat kestää pidempään, ennen kuin ne on vaihdettava.

Ioninen litiumakku varastoi litiumioneja interkalaation avulla, jossa ne sijoitetaan bulkkigrafiittiin hiiliristikoiden kerrosten kautta, jotka muodostavat bulkkigrafiitin ja jotka voidaan peruuttaa latauksen aikana. Tämä prosessi pienentää anodin kokoa ja mahdollistaa suuremman litiumionimäärän varastoimisen.

Jos akkuja jätetään käyttämättä pitkiä aikoja, niiden anodi muodostaa grafiittipinnalleen kiinteän elektrolyyttirajapinnan (SEI-kalvon), joka regeneroituu vähitellen joka latauskerralla; tätä prosessia voidaan myös nopeuttaa korkeammissa lämpötiloissa tai altistamalla anodi kosteudelle.

Ohuet SEI-kerrokset voivat aiheuttaa mikro-oikosulkuja, jotka heikentävät akun suorituskykyä ja käyttöikää, kun taas kosteus voi aiheuttaa elektrolyyttiliuottimen tai vesivuodon, mikä johtaa kemiallisten reaktioiden epätasapainoon ja aiheuttaa tulipalon vaaran.

Ympäristöystävällinen

Ionisten litiumparistojen ympäristövaikutukset riippuvat niiden raaka-aineista. Litium on yleisimmin käytetty ei-metalli, ja sen myrkyllisyys ihmiselle ja ekosysteemeille on vähäinen. Sen louhinta voi kuitenkin aiheuttaa haasteita ja mahdollisesti ympäristövahinkoja: se louhitaan yleensä suolalakeuksista, jotka saastuttavat vesilähteitä ja aiheuttavat ekologisia ongelmia ympäröivillä alueilla. Lisäksi louhintaprosessit ovat yleensä vaarallisia ja työvoimavaltaisia, ja joissakin operaatioissa on raportoitu jopa lapsityövoiman käytöstä.

Vaikka kuluttajat yleensä hävittävät tyhjät litiumioniakut kaatopaikoille, näiden kennojen kierrätys on optimaalinen ratkaisu. Koska litiumioniakut sisältävät jalometalleja, jotka on kierrätettävä asianmukaisesti ja turvallisesti. Valitettavasti kierrätysprosessit ovat kuitenkin monimutkaisia ja usein kalliita. Koska nämä akut sisältävät litium-kobolttioksidia ja muita kemikaaleja, jotka voivat reagoida hapen kanssa ja aiheuttaa tulipalon, akut olisi tämän välttämiseksi käärittävä muoviin ja teipattava yhteen niin, etteivät niiden navat kosketa toisiaan tai metalliesineitä. Näin estetään myös se, etteivät niiden navat kosketa toisiaan tai paljastu. Litiumioniakkujen kysynnän kasvaessa valmistajien olisi tutkittava malleja, joissa ei käytetä harvinaisia metalleja, jotta voidaan vähentää näiden mineraalien louhinnasta aiheutuvaa jätettä ja saastumista. Lisäksi on tärkeää lisätä yleistä tietoisuutta näiden akkujen kierrättämisestä.