Объясняем принцип работы литий-ионного аккумулятора электромобиля

Литий-ионный аккумулятор состоит из четырех компонентов: анода, катода, электролита и сепаратора. Анод обычно изготавливается из графита. Эта модификация углерода имеет преимущество, потому что образует с литием, так называемые интеркаляционные соединения.

Такое соединение можно представить как полку, на которой расставлены книги, где атомы лития являются книгами. Расстояние между полками (слоями углерода в графите) не меняется или меняется незначительно при хранении. Таким образом, графит может легко поглощать литий, а также снова его высвобождать без изменения объема.

Катод обычно состоит из смешанного оксида, т.е. соединения кислорода, в состав которого помимо лития входят другие металлы, такие как никель, марганец или кобальт (например, LixMnyOz или LiyCoyOz).

Жидкий электролит (твердотельные батареи с твердыми электролитами еще не являются современными) в первую очередь позволяет мигрировать ионам лития, а сепаратор в первую очередь предотвращает электрический контакт между анодом и катодом, который может привести к короткому замыканию. Однако ионы лития могут беспрепятственно проходить через сепаратор.

В заряженном аккумуляторе между углеродными слоями графита находятся атомы лития - это и есть упомянутое интеркаляционное соединение. Когда батарея разряжается (то есть когда электромобиль едет), литий испускает электрон, который течет к катоду по электрической линии. На приведенном ниже рисунке электрон показан желтым цветом:

По пути электрон в двигателе используется для привода электромобиля. Положительно заряженный ион лития (Li+), который мигрирует через электролит к катоду (показан красным выше).

Затем на катод попадают Li+ и электрон (e-). Однако электрон соединяется не с ионом лития, а с одним из других ионов металла, например с катионом марганца, заряд которого в результате уменьшается. В катоде из манганата лития, например, марганец (Mn4+) с четырехкратным положительным зарядом превращается в ион марганца (Mn3+) с трехкратным положительным зарядом.

При зарядке процесс обратный: зарядное устройство перекачивает электроны от катода к аноду. Эти электроны взяты из смешанного оксида. В нашем катоде из манганата лития марганец снова испускает электрон:

Mn4+ снова образуется из Mn3+ на катоде, а электрон мигрирует к аноду. В то же время катион лития перемещается через электролит к другому полюсу и соединяется с электроном, образуя незаряженный литий. Это возвращает в исходное состояние.

А еще мы рассказали о недавнем анонсе от CATL с его натрий-ионным аккумулятором (источник) и размышлениях о утилизации аккумуляторов для электромобилей в России.