Литиевые аккумуляторные батареи

Далее будут рассмотрены наиболее перспективный на данный момент тип гальванических элементов – элементы с литиевым анодом. Существует несколько типов гальванических элементов с литиевым анодом. К ним относятся:

· Li/SO₂ (литий-диоксид серы),

· Li/SOCl₂ (литий-тионилхлорид);

· Li/МnО₂ (литий-диоксид марганца);

· Li/(CF_x)_n (литий-полифторуглерод);

· Li/Ag₂CrO₄ (литий-хромат серебра);

· Li/CuS (литий-сульфид меди).

Подробнее они будут рассмотрены ниже.

Основные проблемы создания химических источников тока с литиевым анодом

Первичные элементы, рассчитанные на работу в обычных условиях, можно разделить на два класса: элементы с жидким и с твердым катодом. В качестве жидких катодов-окислителей чаще всего используют тионилхлорид и диоксид серы, которые одновременно являются и основой электролитов. Элементы с жидким окислителем характеризуются высокими удельными значениями мощности и энергии, работоспособны в широком диапазоне температур, но они пожаро- и взрывоопасны, поэтому их используют только в специальной технике. В элементах с твердым катодом в качестве активного материала применяют оксиды марганца, меди или некоторых других металлов, а также сульфид железа и фторированный углерод. В качестве электролитов в таких элементах используют растворы некоторых солей лития (перхлорат, гексафторарсенат, тетрафторборат и т.д.) в органических неводных апротонных растворителях (пропиленкарбонат. диметоксиэтан. тетрагидрофуран. γ-бутиролактон и различные смеси). В зависимости от типа катодного материала рабочее напряжение элементов может достигать 3 В (для диоксида марганца или фторированного углерода) или 1.5В (для оксида меди или сульфида железа): в последнем случае литиевые элементы и традиционные элементы на основе марганцево-цинковой системы взаимозаменяемы.

Электролиты для литиевых батарей

Совершенство литиевых источников тока в равной степени зависит от совершенства электродов и электролита. Твердые полимерные электролиты представляют собой «предел исканий» с точки зрения желаемых свойств для аккумуляторов, т.к. они позволяют создать полностью твердотельное устройство при простом процессе производства. При этом возможно получить устройство любой формы и размера и более высокую удельную энергию (т.к. при сборке ячейку можно более плотно поджать). При этом не будет утечки коррозионных или взрывоопасных жидкостей и уменьшится вероятность короткого замыкания; таким образом, устройство окажется более безопасным. Самыми привлекательными являются полимерные электролиты, которые состоят из мембраны, не содержащей растворителя (например, полиэтиленоксид, ПЭО), и литиевой соли LiX, например, LiPF₆ или LiCF₃SO₃. Плохая ионная проводимость этих материалов при комнатной температуре помешала осознать их высокий потенциал. Распределение наноструктурированного неорганического наполнителя по полимерному электролиту, не содержащему растворителя, увеличивает проводимость в несколько раз. Улучшение транспортных свойств электролита можно объяснить с помощью модели гетерогенного допирования. Согласно этой модели, одним из видов нанокомпозитов является материал, в котором вторая (или даже третья) фаза в виде частиц нанометрового размера распределена в матрице, которая может быть как аморфной, так и кристаллической. Таким образом, увеличение проводимости может быть связано с кислотно-основным взаимодействием по Льюису между поверхностью керамической наночастицы и полимерными цепями, а также анионами литиевой соли. Как и в случае электродов, существуют «за» и «против» этого подхода. Одновременно разрабатываются также и другие способы повышения проводимости полимерных электролитов. Существенными в этом аспекте являются также наноструктуры полимер-В-соли и ионные жидкости.

На протяжении 30 лет считалось, что ионная проводимость в полимерных электролитах осуществляется исключительно в аморфной фазе выше температуры стеклования T_g. Кристаллические полимерные электролиты считались диэлектриками. Однако недавние исследования показали, что это не так: кристаллический комплекс ПЭО:LiXF₆ = 6:1 (X = P, As, Sb) обладает ионной проводимостью. Ионы Li⁺ находятся в туннелях, образованных цепями полимера (рис. 5). Существенное увеличение ионной проводимости в кристаллических комплексах 6:1 наблюдалось при уменьшении длины полимерных цепей от 3000 до 1000, что находится в нанометровом диапазоне. Очевидно, что в электролитах, так же, как и в электродах, описанных выше, контроль над размером на наноуровне оказывает сильное влияние на характеристики. Кристаллические полимерные электролиты представляют собой абсолютно другой тип проводимости в полимерах и иллюстрируют важность поиска новых научных направлений. Исследуемые в настоящее время материалы данного типа не обладают ионной проводимостью, достаточной для практического использования, но они открывают свежий подход и могут позволить значительно улучшить имеющиеся результаты. Так, недавно было установлено, что проводимость кристаллических полимерных электролитов можно увеличить на два порядка путем частичного замещения ионов XF₆ на другие моно- и дивалентные анионы. В то же время химическую совместимость новых полимерных электролитов с существующими электродными материалами еще предстоит оценить.

Таким образом, по мнению авторов обзора, использование наноматериалов в литиевых источниках тока может привести к значительному улучшению характеристик. Однако, считают авторы, не стоит забывать и о новых трудностях, связанных с использованием наноструктурированных материалов, поэтому данная область представляется им еще мало исследованной и перспективной.