Na portalu Nature opublikowano badania dotyczące procesu ładowania i rozładowania ogniw Li-ion z grafitowymi anodami – typowymi produkowanymi współcześnie. Wnioski są dość rewolucyjne i szersze niż ten jeden artykuł, dlatego tutaj skupimy się na wprowadzeniu, czyli fascynującym nagraniu ukazującym proces ładowania i rozładowania ogniwa pod mikroskopem. Do tematu jeszcze wrócimy.
Ładowanie i rozładowywanie, czyli jak jony litu wpływają do anody
Spis treści
Ogniwa litowe czy litowo-jonowe to takie, w którym bazą, nośnikiem energii są jony litu przepływające między elektrodami. Lit można parować z różnymi pierwiastkami (na przykład siarką) albo czymś zastąpić (na przykład sodem) i wtedy chemia ogniw się zmienia. Jednak we współcześnie stosowanych bateriach Li-ion łączy się najczęściej katody oparte na niklu i kobalcie (NCA, NCM) lub żelazowo-fosforanowe (xFP) i grafitowe anody.
Na czym polega ładowanie ogniwa Li-ion = interkalacja litu w graficie
Gdy ogniwo jest ładowane, lit wędruje w postaci jonów z katody, przez elektrolit, do grafitowej anody, by zakotwiczyć tam po odzyskaniu elektronu, który w tym czasie przebiegł przewodami. Kiedy ogniwo się rozładowuje (oddaje energię), jony litu płyną w przeciwnym kierunku, z anody do katody, gdzie wiążą się tymczasowo z siatką atomów niklu-kobaltu-manganu lub żelaza-fosforu-tlenu.
Co jest fascynujące, proces ładowania i rozładowania grafitowej anody udało się nagrać pod mikroskopem. Na wideo poniżej grafit jest czarny ze srebrnymi refleksami, ciemniejsza czerń, czerwień i złoto oznaczają stopniowo rosnącą liczbę atomów litu, charging = ładowanie, SoC = poziom naładowania ((c) Xuekun Lu, Marco Lagnoni, Antonio Bertei, Supratim Das, Rhodri E. Owen, Qi Li, Kieran O’Regan, Aaron Wade, Donal P. Finegan, Emma Kendrick, Martin Z. Bazant, Dan J. L. Brett & Paul R. Shearing, źródło):
Zwróć uwagę, jak niespodziewanie, chociaż, gdy się zastanowić, zgodnie z intuicją, przebiega rozładowanie elektrody, bo jony znikają najszybciej w części przy elektrolicie. Ale na nagraniu widać coś jeszcze: lewa krawędź elektrody, która styka się z elektrolitem, podczas ładowania staje się soczyście złota. To tam zostaje duża część jonów litu, to tam dochodzi do niekorzystnego zjawiska platerowania metalem, które z czasem powoduje degradację ogniwa Li-ion.
