Практически ни одно современное портативное автономное электронное устройство не обходится без использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) в качестве источников энергии. Ультратонкие мобильные телефоны, которые нужно заряжать всего несколько раз в месяц, сверхлегкие ноутбуки, способные к длительной автономной работе - все это, еще недавно казавшееся несбыточной мечтой, сегодня благодаря развитию нанотехнологий становится частью повседневной жизни общества.
Простейший литий-ионный аккумулятор состоит из катода и анода, соединенных между собой проводником (внешней электрической цепью) и погруженных в раствор соли лития (LiPF6 или LiClO4) в органическом (апротонном) растворителе. В качестве анода часто используется титанат лития Li4Ti5O12, тогда как наиболее перспективным катодным материалом является оливин LiFePO4. Реакции, протекающие на этих электродах, можно представить следующим образом:
Li4Ti5O12 + 3Li+ + 3e ↔ Li7Ti5O12 (1)
LiFePO4 ↔ Li+ + e + FePO4 (2)
1) Почему в аккумуляторах используется именно литий, хотя по распространенности на Земле он занимает всего лишь 32 место, к тому же дорог и химически агрессивен? Нельзя ли его чем-нибудь заменить? (3 балла).
2) Поясните, в каком направлении протекают полуреакции (1) и (2) при зарядке и разрядке аккумулятора. За счет чего возникает электрический ток? (2 балла). Почему выбраны именно эти соединения? (2 балла)
3) В более старых моделях ЛИА в качестве катодного материала использовался кобальтит лития LiCoO2, тогда катодная полуреакция может быть представлена следующим образом: LiCoO2 ↔ Li+ + e + CoO2. Однако, устройства с такими катодами оказались опасными, например, в мире ежегодно в руках пользователей взрывалось более 100 мобильных телефонов. С чем это могло быть связано? Как Вы думаете, почему LiFePO4 как катодный материал лучше, чем LiCoO2 (2 балла)?
4) Одной из важнейших характеристик электродного материала для ЛИА является его обратимая электрохимическая емкость, то есть заряд, который может обратимо накапливаться данным материалом и извлекаться из него в ходе цикла заряда-разряда. Электрохимическая емкость обычно выражается в миллиамперах*час/грамм. Рассчитайте теоретическую электрохимическую емкость оливина FePO4 (1 балл).
5) В реальных условиях электрохимическая емкость материала всегда меньше теоретической. Максимальные значения емкости, близкие к теоретическим, достигаются для наноматериалов. Почему именно наноматериалы обладают таким уникальным свойством? (2 балла)
6) Предложите способ получения электродного наноматериала на основе LiFePO4 из доступных реагентов. Как можно контролировать размер и форму наночастиц оливина при синтезе? (2 балла) Зачем в ряде случаев при получении этого материала используют… обычный сахар? (2 балла)
7) Современный ноутбук, способный работать до 10 часов без подзарядки, содержит около 3 кг LiFePO4. Оцените, сколько дров с теплотой сгорания 106 Дж/кг понадобилось бы сжечь, чтобы выделившейся энергии было достаточно для обеспечения такой же продолжительной работы ноутбука. Учтите, что обратимая электрохимическая емкость материала составляет 95% от теоретической, а напряжение работы такого ЛИА составляет 3.5 В. Также известно, что при сгорании дров в полезную работу можно превратить не более 25% выделившейся энергии (2 балла).
Условия задачи можно скачать в виде файла.