Μπαταρίες-Συσσωρευτές

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΟΣ Μπαταρίες-Συσσωρευτές Δημήτριος Τσιπλακίδης Τμήμα Χημείας, ΑΠΘ

2 Εισαγωγή Ορισμός: Συσκευές όπου αποθηκεύεται χημική ενέργεια ώστε να μπορεί να αποδίδεται όταν χρειάζεται Κάθε μπαταρία έχει δύο ακροδέκτες: μια θετική κάθοδο (+) και μια αρνητική άνοδο ( ) Αρχή λειτουργίας: Όταν η διάταξη λειτουργεί ξεκινάει η αυθόρμητη χημική αντίδραση παράγονται ηλεκτρόνια ηλεκτρόνια μετακινούνται από το ( ) στο (+) παράγεται ηλεκτρική ενέργεια

3 Εισαγωγή Παγκόσμια παραγωγή : >10 μονάδες/έτος/κεφαλή. Εφαρμογές: Φορητοί ηλεκτρονικοί υπολογιστές Ακουστικά βαρηκοΐας. Βηματοδότες Φορητές ηλεκτρονικές συσκευές Μπαταρίες αυτοκινήτων Μπαταρίες κίνησης οχημάτων Εφεδρικές πηγές ρεύματος Στρατιωτικές εφαρμογές

4 Ηλεκτροχημικό κελί Οι μπαταρίες αποτελούνται από ηλεκτροχημικά (γαλβανικά) κελιά που είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένα μεταξύ τους Ένα ηλεκτροχημικό κελί αποτελείται από: ένα θετικό ηλεκτρόδιο το οποίο λαμβάνει ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα όταν το κελί εκφορτίζεται ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο το οποίο προσδίδει ηλεκτρόνια στο εξωτερικό κύκλωμα όταν το κελί εκφορτίζεται έναν ηλεκτρολύτη ο οποίο παρέχει την δυνατότητα μεταφορά φορτίου μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου έναν διαχωριστή που απομονώνει ηλεκτρικά το θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο

5 Ηλεκτροχημικό κελί Στοιχείο Daniell Ενέργεια: J/mol Δυναμικό κελιού: /

6 Ηλεκτροχημικό κελί Είδη γαλβανικών κελιών Κελιά (μπαταρίες) πρώτου τύπου (primary batteries): είναι αναλώσιμες καθώς μετά την χρήση τους δεν μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν. Οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις δεν μπορούν να αντιστραφούν (π.χ. στοιχείο Daniell). Κελιά (μπαταρίες) δεύτερου τύπου (secondary batteries): επαναφορτιζόμενες καθώς οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις μπορούν να αντιστραφούν με την εφαρμογή κατάλληλου δυναμικού στην αντίθετη κατεύθυνση από αυτή την εκφόρτισης (π.χ. μπαταρίες μολύβδου οξέος). Κυψέλες καυσίμου (fuel cells): μπορούν να λειτουργούν συνεχώς, εφόσον παρέχονται «καύσιμο» και οξυγόνο.

7 Ιστορία Zn C Ni Cd Volta Daniell Leclanche Jungner Ruben Sturgeon Plante Gassner Edison Urry Pb acid dry cell Μπαταρία της Βαγδάτης

8 Χαρακτηριστικά μπαταριών Δυναμικό (Ε): εξαρτάται από (α) την ενέργεια Gibbs της συνολικής αντίδρασης ή ομοίως την διαφορά πρότυπων δυναμικών μεταξύ ανόδου και καθόδου ( ΔG=nFE) και επομένως από την επιλογή των ηλεκτροδιακών αντιδράσεων, (β) την κινητική των ηλεκτροδιακών δράσεων και (γ) την αντίσταση του κελιού: E E E ir C A e e C cell Προϋποθέσεις για καλή λειτουργία (μεγάλο Ε): Μεγάλη ενέργεια Gibbs της συνολικής αντίδρασης: Το θετικό ηλεκτρόδιο ανάγεται εύκολα Το αρνητικό ηλεκτρόδιο οξειδώνεται εύκολα Οι ηλεκτροδιακές δράσεις έχουν μικρή υπέρταση Οι ωμικές αντιδράσεις είναι μικρές

9 Χαρακτηριστικά μπαταριών Ρεύμα (Ι): μέτρο του ρυθμού εκφόρτισης. Μεγάλες τιμές Ι οδηγούν σε: Μεγάλες υπερτάσεις Μεγάλη ωμική αντίσταση Μετατροπή ηλεκτρονικά αγώγιμων ειδών σε μη αγώγιμα (π.χ. μπαταρία μολύβδου οξέος: PbO 2 PbSO 4 ) Χωρητικότητα (C): το φορτίο που μπορεί να αποδοθεί από την μπαταρία (Ah). Ονομαστική (θεωρητική) χωρητικότητα: w C nf M w βάρος ενεργού υλικού Μ μοριακό βάρος ενεργού υλικού Πρακτική χωρητικότητα: C it Συνήθως είναι το 25 35% της θεωρητικής

10 Χαρακτηριστικά μπαταριών Πυκνότητα αποθήκευσης: αποθηκευμένο φορτίο (χωρητικότητα) ανά μονάδα βάρους (Ah/g) ή όγκου (Ah/m 3 ). Το βάρος συμπεριλαμβάνει όλα τα στοιχεία που αποτελούν μια μπαταρία (ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτη, διαχωριστή, συλλέκτες ρεύματος, θήκη ). Ενεργειακή πυκνότητα: ενέργεια ανά μονάδα βάρους (J/g ή Wh/g). average CEcell ite w w average cell Πυκνότητα ισχύος: ενέργεια ανά μονάδα βάρους (W/g). Ρυθμός εκφόρτισης: ρεύμα που απαιτείται έτσι ώστε να εκφορτιστεί πλήρως μια μπαταρία σε n ώρες (C/n). Π.χ. αν η χωρητικότητα μιας μπαταρίας είναι 10 Ah, τότε ο ρυθμός εκφόρτισης C αντιστοιχεί σε 1h εκφόρτισης (ρεύμα εκφόρτισης 10 Α), ο 2C σε μισή ώρα (ρεύμα εκφόρτισης 20 Α), ο C/2 σε 2 ώρες (ρεύμα εκφόρτισης 5 Α).

11 Χαρακτηριστικά μπαταριών Κύκλος ζωής (μόνο για επαναφορτιζόμενες (secondary) μπαταρίες): αριθμός κύκλων εκφόρτισης/επαναφόρτισης πριν το τέλος της χρήσιμης ζωής της μπαταρίας. Εξαρτάται από: (α) την χημική σύσταση, την μορφολογία και την διασπορά της ενεργούς ουσίας και (β) τον βαθμό (depth) εκφόρτισης Αιτίες βλαβών: (α) διάβρωση συλλεκτών ρεύματος, (β) απόρριψη αποκόλληση του ενεργούς υλικού από τον συλλέκτη ρεύματος, (γ) βραχυκύκλωμα λόγω ανάπτυξη δενδριτικών δομών στα ηλεκτρόδια και (δ) αλλαγές στην μορφολογία των ηλεκτροδίων Ενεργειακή απόδοση (μόνο για επαναφορτιζόμενες (secondary) μπαταρίες): ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την εκφόρτιση % ενεργειακή απόδοση = 100 ενέργεια που απαιτείται κατά την φόρτιση Εξαρτάται από: (α) την φαρανταϊκή απόδοση των ηλεκτροδιακών δράσεων, (β) τις υπερτάσεις των ηλεκτροδιακών δράσεων φόρτισης και εκφόρτισης και (γ) τον βαθμό (depth) φόρτισης και εκφόρτισης

12 Τύποι μπαταριών

13 Συστατικά μπαταριών Δοχείο κουτί Αντίσταση στην εσωτερική και εξωτερική διάβρωση που προκαλείται από τον ηλεκτρολύτη, τα ενεργά υλικά και το περιβάλλον Μηχανική σταθερότητα και εύκολη στεγανοποίηση Μικρό κόστος και βάρος Αλκαλικές μπαταρίες: ατσάλι Μπαταρίες οξέος: πολυπροπυλένιο Μπαταρίες Zn C: ενεργό υλικό (Zn)

14 Συστατικά μπαταριών Διαχωριστής Αντίσταση στην εσωτερική και εξωτερική διάβρωση που προκαλείται από τον ηλεκτρολύτη, τα ενεργά υλικά και το περιβάλλον Μεγάλη διαβροχή στον ηλεκτρολύτη Υψηλή εκλεκτικότητα Μικρή αντίσταση Μικρό κόστος Μικροπορώδη ( μm) ή μακροπορώδη (30 70 μm) πολυμερικά φύλλα (πορώδες 50 80%, ειδική αντίσταση ohm cm 2 ) Κελλουλόζη Nylon Πολυαιθυλένιο

15 Συστατικά μπαταριών Συλλέκτες ρεύματος Μηχανική σταθερότητα για να παρέχει την φυσική (μηχανική) υποστήριξη στο ενεργό υλικό (εύθραυστη δομή) Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα Ανθεκτικότητα στην χημική «διάβρωση» που προκαλείται από τον ηλεκτρολύτη και τα ενεργά υλικά πλάκες, σύρματα, φύλλα, τρισδιάστατα πλέγματα

16 Συστατικά μπαταριών Ηλεκτρολύτης Καθορίζεται από την φύση των ηλεκτροδιακών αντιδράσεων Υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα και σε χαμηλές θερμοκρασίες (έως 30 ο C) Χαμηλό ιξώδες Σταθερότητα σε μεγάλος εύρος θερμοκρασιών και δυναμικών

17 Συστατικά μπαταριών Ενεργά συστατικά Τα ενεργά συστατικά πρέπει να έχουν εύκολη πρόσβαση στην περιοχή που λαμβάνει χώρα η μεταφορά ηλεκτρονίων χρήση στερεών αντιδρώντων/προϊόντων Πορώδη ηλεκτρόδια (50% πορώδες) σε μορφή πάστας PbO PbSO 4 2 Pb PbSO 4 υλικό αρνητικού πόλου κατά την εκφόρτιση υλικό θετικού πόλου κατά την φόρτιση

18 Συστατικά μπαταριών Ενεργά συστατικά Σχηματισμός του ενεργού υλικού εν τω γεννάσθαι (in situ): επειδή η ενεργός ουσία μπορεί να μην είναι σταθερή στον αέρα (οξειδώνεται), μπορεί να σχηματιστεί in situ στην μπαταρία μέσω ηλεκτροχημικής αναγωγής, χημικής οξείδωσης ή καταβύθισης του υλικού που περιέχει το ιόν του μετάλλου: PbO,PbSO PbO,PbSO4 PbO (+) θετικό e 4 2 e Pb ( ) αρνητικό

19 Εφαρμογές μπαταριών Primary batteries: μικρής έως μέτριας ισχύος, όπως φορητές ηλεκτρικές ή ηλεκτρονικές συσκευές (φακοί, παιχνίδια, ραδιόφωνα, κάμερες, ρολόγια, συσκευές ενδοεπικοινωνίας, κτλ.) Secondary batteries: ως διατάξεις αποθήκευσης ενέργειας σε συνδυασμό με κάποια βασική (prime) πηγή, όπως μπαταρίες αυτοκινήτων, φορητές ηλεκτρονικές συσκευές (ηλεκτρονικοί υπολογιστές, τηλέφωνα, κάμερες κτλ.)

20 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary

21 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Ψευδαργύρου Άνθρακα (Leclanché και ZnCl 2 ) Zn or Zn/Hg NH 4 Cl and/or ZnCl 2 2MnO 2 +H 2 O+2e Mn 2 O 3 + 2OH Zn 2e Zn 2+ MnO 2 /C Zn + 2MnO 2 + Η 2 Ο Mn 2 O 3 + Zn OH E cell =1.55 V C Παγκόσμια παραγωγή > /έτος Πλεονεκτήματα Μικρό κόστος: 1/20 Pb acid, 1/50 Ni Cd Υψηλή θεωρητική χωρητικότητα: 224 Ah/ kg ή 258 Wh/kg (πρακτικά Wh/kg) Μειονεκτήματα Σε υψηλά ρεύματα λαμβάνεται μόνον το 25% της ονομαστικής τιμής του φορτίου της Γραμμική μείωση του δυναμικού κατά την εκφόρτιση Μικρή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες

22 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Ψευδαργύρου Άνθρακα (Leclanché και ZnCl 2 ) Καμπύλες εκφόρτισης μπαταρίας Leclanche μέσω αντίστασης 5 Ω, για 1 h καθημερινά.

23 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Αλκαλικές μπαταρίες Άνοδος: Zn Κάθοδος: MnO 2 Ηλεκτρολύτης: 30 45% ΚΟΗ 2MnO 2 +2H 2 O+2e 2MnOΟΗ + 2OH Zn 2e Zn 2+ Πλεονεκτήματα (σε σχέση με Zn C) Υψηλότερη πρακτική χωρητικότητα: 140Wh/kg (>50 100% από τις Zn C) Καλύτερη απόδοση σε διακοπτόμενη λειτουργία, σε χαμηλούς και υψηλούς ρυθμούς και σε χαμηλές θερμοκρασίες Αργός ρυθμός αποφόρτισης «στο ράφι» Μικρότερη εσωτερική αντίσταση Λιγότερα προβλήματα διαρροών Μειονεκτήματα (σε σχέση με Zn C) Υψηλότερο κόστος Zn + 2MnO 2 + 2H 2 O ZnO + 2MnΟΟΗ + Zn(OH) 2 E cell = V

24 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Αλκαλικές μπαταρίες Άνοδος Κάθοδος

25 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Αλκαλικές μπαταρίες

26 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Λιθίου (Li) Πλεονεκτήματα Υψηλό δυναμικό (3 4 V) Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (200 Wh/kg και 400 Wh/L) Μεγάλος εύρος θερμοκρασιών λειτουργίας (+70 έως 40 ο C) Ικανοποιητική πυκνότητα ισχύος Επίπεδη καμπύλη λειτουργίας (σταθερό δυναμικό) Εξαιρετική αντοχή στην αποθήκευση (~10 χρόνια) Άνοδος (μεγάλη χωρητικότητα, υψηλό δυναμικό) Ιδιότητες λιθίου (Li)

27 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Λιθίου (Li) Κάθοδος (μεγάλη χωρητικότητα, υψηλό δυναμικό, συμβατότητα με τον ηλεκτρολύτη, υψηλή αγωγιμότητα) Αναγωγή ενός οξειδίου, σουλφιδίου, άλατος ή οξειδωτικού (CuO, CuS, Ag 2 CrO 4, PbI 2 ) Εισαγωγή (intercalation) του Li + στην δομή ενός υλικού (TiS 2, V 6 O 13, MnO 2, MoS 2 ): Li V O e LiV O Αναγωγή ενός αγώγιμου πολυμερούς (π.χ. (CF) n, πολυανιλίνη, πολυπυρόλη ) Αναγωγή ενός ηλεκτρολύτη (SOCl 2, SO 2 Cl 2, SO 2, ) σε μια κάθοδο άνθρακα υψηλή ειδικής επιφάνειας Ηλεκτρολύτης Μη υδατικοί ηλεκτρολύτες, όπως πολικοί οργανικοί διαλύτες Απρωτικοί (δεν περιέχουν ενεργά πρωτόνια ή άτομα υδρογόνου) Μικρή ενεργότητα με το Li(ή να σχηματίζουν προστατευτικό στρώμα) και την κάθοδο Υψηλή ιοντική αγωγιμότητα Ευρύ φάσμα θερμοκρασιακής λειτουργίας (να διατηρούνται σε υγρή μορφή) Να έχουν χαμηλή πτητικότητα, καλή σταθερότητα, να μην είναι τοξικοί ή εύφλεκτοι

28 Μπαταρίες πρώτου τύπου primary Λιθίου (Li) MnO 2 Άνοδος : xli Li e IV III Κάθοδος : Mn O2 xli e LixMn O2 IV III xlimn O2 LixMn O2 Υψηλό δυναμικό (~3V) και μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα Εξαιρετικά χαρακτηριστικά εκφόρτισης Καλή στεγανότητα Καλή αντοχή στην αποθήκευση (απώλειες <1%/έτος) Μεγάλος θερμοκρασιακό εύρος ( 40 έως +85 ο C) Σταθερότητα και ασφάλεια

29 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary

30 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Μολύβδου οξέος (lead acid) Φόρτιση Εκφόρτιση Plante (1859) 2 discharge 2 4 charge 2 4 (+) PbO 4H SO 2e 2H O PbSO 2 discharge 4 charge 4 ( ) Pb SO 2e PbSO discharge charge 4 2 Pb PbO 2H SO 2PbSO 2H O E cell =2.05 V

31 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Μολύβδου οξέος (lead acid) Μπαταρίες αυτοκινήτου (starting lighting ignition, SLI)

32 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Μολύβδου οξέος (lead acid) Μπαταρίες αυτοκινήτου Δυναμικό: 6 ή 12V (3 ή 6 στοιχεία) Χωρητικότητα: 100 Ah με ρυθμός εκφόρτισης 20 h (πλήρης εκφόρτιση): 5A Απαιτήσεις ρεύματος: ξεκίνημα μηχανής: παλμοί A για 30s χωρίς το δυναμικό να είναι <7.5V πορεία: 25A για 3h χωρίς το δυναμικό να είναι <7.5V Πολλαπλοί κύκλοι φόρτιση/εκφόρτισης (χωρίς πλήρη εκφόρτιση)

33 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Μολύβδου οξέος (lead acid) Μπαταρίες αυτοκινήτου Καμπύλες εκφόρτισης υπό σταθερό ρεύμα για μια μπαταρία αυτοκινήτου (SLI) μολύβδουοξέος, ηλεκτρεγερτικής δύναμης 12 V και φορτίου 100 Ah, στους 25 ο C.

34 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου Καδμίου (Ni Cd) (+) NiO(OH) H O e Ni(OH) OH discharge 2 charge 2 discharge charge 2 ( ) Cd2OH 2e Cd(OH) 2NiO(OH) Cd 2H O 2Ni(OH) Cd(OH) discharge 2 charge 2 2 E cell =1.48 V Πορώδης (80 85%) πλάκα συντετηγμένου Ni εμβάπτιση σε διάλυμα Ni + επεξεργασία με NaOH προς Ni(OH) 2 (εκφορτισμένο υλικό) Ηλεκτρόδια: NiO(OH), Cd Συλλέκτες ρεύματος: Ni, Cd Ηλεκτρολύτης: 30 45% ΚΟΗ Πλεονεκτήματα Μικρό κόστος και χρόνος ζωής που μπορεί να υπερβεί τους 500 κύκλους φόρτισης εκφόρτισης Χαμηλή εσωτερική αντίσταση (λειτουργία υπό σταθερό δυναμικό) Καλή στεγανότητα Αντοχή σε μεγάλο βάθος φόρτισης και εκφόρτισης Καλή αντοχή στην αποθήκευση Μεγάλος θερμοκρασιακό εύρος Μειονεκτήματα Χαμηλό δυναμικό Jungner (1899)

35 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου Καδμίου (Ni Cd) πλακέ (button cells ή pocket plate) κυλινδρικές επίπεδες

36 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου υδριδίων μετάλλων (Ni ΜΗ) Ηλεκτρόδια: Ni, ΜΗ Ηλεκτρολύτης: 30% ΚΟΗ discharge 2 charge 2 (+) NiO(OH) H O e Ni(OH) OH discharge charge ( ) MHOH e MH O discharge charge 2NiO(OH) MH Ni(OH) M E cell =1.32 V 2 2

37 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου υδριδίων μετάλλων (Ni ΜΗ) Πλεονεκτήματα 80% μεγαλύτερη χωρητικότητα από τις μπαταρίες Ni Cd Χαμηλή εσωτερική αντίσταση που επιτρέπει μεγάλους ρυθμούς εκφόρτισης Χρόνος ζωής που μπορεί να υπερβεί τους 1000 κύκλους φόρτισης εκφόρτισης Πιο φιλικά συστατικά για το περιβάλλον Μειονεκτήματα Χαμηλό δυναμικό Πιο ακριβές από τις Ni Cd

38 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου υδριδίων μετάλλων (Ni ΜΗ) Υδρίδια μετάλλων Μεγάλη αποθηκευτική ικανότητα ως προς υδρογόνο Θερμοδυναμικές ιδιότητες που ευνοούν την αντιστρεπτή ρόφηση/εκρόφηση του υδρογόνου Χαμηλή πίεση ισορροπίας υδρογόνου Υψηλή ηλεκτροχημική ενεργότητα Γρήγορη κινητική για να υψηλή απόδοση σε μεγάλους ρυθμούς φόρτισης/εκφόρτισης Ανθεκτικότητα στην οξείδωση Σταθερότητα σε επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης σε αλκαλικό περιβάλλον Κράματα λανθανίου νικελίου (LaNi 5 )ή τύπου AB 5 με υποκαταστάτες: 1. Ce, Nd, Pr, Gd και Y ως υποκαταστάτες του La. 2. Ni και Co για περιορισμό της διάβρωσής και μεγαλύτερο χρόνο ζωής 3. Al, Ti, Zr και Si για αυξημένη αντοχή στην διάβρωση και μεγαλύτερο χρόνο ζωής Κράματα τιτανίου ζιρκονίου ή τύπου ΑΒ 2 με υποκαταστάτες: 1. V, Ti, και Zr αυξάνουν την χωρητικότητα υδρογόνου 2. Ni και Cr για περιορισμό της διάβρωσής και μεγαλύτερο χρόνο ζωής 3. Al, Ti, Zr και Si για αυξημένη αντοχή στην διάβρωση και μεγαλύτερο χρόνο ζωής

39 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Νικελίου υδριδίων μετάλλων (Ni ΜΗ)

40 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Πλεονεκτήματα Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (160% φορές μεγαλύτερη από τις Ni ΜΗ και 220% από τις Ni Cd). Θεωρητική χωρητικότητα: 3860 Ah/kg (Li Li + + e ) Υψηλό δυναμικό (~3.6V) Μεγάλοι ρυθμοί φόρτισης/εκφόρτισης Μεγάλο εύρος θερμοκρασιών Αργός ρυθμός αποφόρτισης «στο ράφι» Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος (40% ακριβότερες από τις Ni Cd) Ασφάλεια Κανονισμοί μεταφοράς

41 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) x discharge 1x 2 charge 2 (κάθοδος) Li CoO xli xe LiCoO discharge charge (άνοδος) Li C C xli xe discharge x 1x 2 charge 2 Li C Li CoO C LiCoO E cell =3.6 V Το ιόν Li + υπόκειται σε ενσωμάτωση (intercalation) τόσο στο υλικό του θετικού πόλου (δηλ. στην κάθοδο κατά την εκφόρτιση) όσο και στο υλικό του αρνητικού πόλου (δηλ. στην κάθοδο κατά την επαναφόρτιση).

42 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion)

43 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Άνοδος Άνθρακας (~372 mah/g) Γραφίτης (στοιβαδικός): χαμηλή χωρητικότητα, υψηλή αντιστρεπτότητα Σκληρός άνθρακας: υψηλή χωρητικότητα, αναντιστρεπτές απώλειες γραφίτης Άμορφα οξείδια του κασσίτερου (>600 mah/g) SnM x O y (x 1), M=glass forming elements (π.χ. μίγμα B και P) Μεγάλες αναντίστρεπτες απώλειες στην χωρητικότητα Νιτρίδια του λιθίου (~900 mah/g) Χαμηλό δυναμικό, ευαισθησία στην υγρασία, υψηλό κόστος σκληρός άνθρακας Οξείδια μετάλλων Τύπου σπινελίου: Li 4 Ti 5 O 12, Li 4 Mn 5 O 12 και Li 2 Mn 4 O 12 Ικανοποιητικό δυναμικό λειτουργίας Δεν παράγεται μεταλλικό Li (όπως στις ανθρακικές ή μεταλλικές ανόδους)

44 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Ηλεκτρολύτες Άλας Li σε μη υδατικό διαλύτη (το δυναμικό λειτουργίας των μπαταριών είναι 3 4.2V ενώ η διάσπαση του νερού γίνεται στα 1.23V!) Υγροί ηλεκτρολύτες: LiPF 6, LiAsF 6 σε αλκαλικούς αιθυλεστέρες (carbonates), όπως ανθρακικός αιθυλεστέρας, ανθρακικός διμεθυλεστέρας (+) Υψηλή ιοντική αγωγιμότητα ( ) Διαρροές, παράπλευρες αντιδράσεις με τα ηλεκτρόδια Στερεοί ηλεκτρολύτες: LiM 2 (PO 4 ) 3 (Nasicon) και οξείδια περοβσκιτικής δομής (Li, La)MO 3 (M = Ge, Zr, Hf)) Το Li + άγεται μέσω πλεγματικών κενών/θέσεων (+) Απουσία διαρροών, μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, καλύτερα προφίλ φόρτισης/εκφόρτισης, μεγάλος χρόνος ζωής, καλή αντοχή στην αποθήκευση Πολυμερικοί ηλεκτρολύτες: άλας διαλυμένο σε μια πολυμερική δομή (+) Απουσία διαρροών, ευκολία στην Παρασκευή ( ) Χαμηλή αγωγιμότητα

45 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Κάθοδος στοιβαδική δομή (LiCoO 2 ) κυβική δομή σπινελίου (LiMn 2 O 4 ) δομή ολιβίνης (LiFePO 4 )

46 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Κάθοδος Στοιβαδική δομή (LiCoO 2 ) Πλεονεκτήματα Εύκολη ενσωμάτωση (intercalation) ιόντων λιθίου με καλή αντιστρεπτότητα (deintercalation) Θερμική σταθερότητα Μεγάλη χωρητικότητα (LiNiO 2, Li x CoO 2 : 140 mah/g) Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος Τοξικότητα Για σταθεροποίηση της δομής χρησιμοποιούνται υποκαταστάτες (Li 1+x Mn 0.5 Cr 0.5 O 2, 190 mah/g)

47 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Κάθοδος Κυβική δομή σπινελίου (LiMn 2 O 4 ) Πλεονεκτήματα (σε σχέση με τα στοιβαδικά) Μικρότερο κόστος Μικρότερη τοξικότητα Διαθεσιμότητα Μειονεκτήματα Μικρότερη χωρητικότητα Αναντιστρεπτότητα Τρισδιάστατη (3D) δομή που ενσωματώνει τα ιόντα Li τα οποία καταλαμβάνουν τετραεδρικές θέσεις Για σταθεροποίηση της δομής χρησιμοποιούνται υποκαταστάτες (LiM x Mn 2 x O 4 )

48 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Κάθοδος Δομή ολιβίνης (LiFePO 4 ) Πλεονεκτήματα (σε σχέση με τα στοιβαδικά) Μικρότερο κόστος Μικρότερη τοξικότητα Μειονεκτήματα Μικρότερη χωρητικότητα Δομές οξυανιόντος που σχηματίζονται από ΜΟ 6 οκτάεδρα (M=Fe, Ti, V ή Nb) και τετραεδρικά ανιόντα ΧΟ 4 (Χ=S, P, As, Mo ή W) σε θέσεις κορυφών Πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το LiFePO 4 ( mah/g )

49 Μπαταρίες δεύτερου τύπου secondary Ιόντων λιθίου (Li ion) Li-ion Ηλεκτροχημικές ιδιότητες υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως άνοδοι και κάθοδοι σε μπαταρίες ιόντων λιθίου