Батареи и вторичные элементы

Батареи запасают электрическую энергию в обратимых электродных реакциях; вторичные (перезаряжаемые) элементы могут многократно циклироваться путем обращения этих реакций с помощью внешнего зарядного тока.

Definition

Устройство, которое запасает энергию в химических состояниях своих электродов и высвобождает ее в виде электрического тока посредством окислительно-восстановительной реакции; во вторичном элементе реакция обратима, что позволяет многократно заряжать и разряжать его.

Scope

Эта тема охватывает принципы работы батарей: электродные реакции, которые запасают и высвобождают заряд, различие между первичными (одноразовыми) и вторичными (перезаряжаемыми) элементами, архитектуру интеркаляционных литий-ионных элементов, ключевые показатели производительности, такие как емкость, плотность энергии и срок службы, а также причины снижения емкости и деградации. Она охватывает как классические свинцово-кислотные и никелевые химические системы, так и современные литий-ионные системы.

Core questions

• Как электродные реакции запасают и высвобождают электрическую энергию?
• Что отличает перезаряжаемый вторичный элемент от одноразового первичного элемента?
• Как химия интеркаляции литий-иона достигает высокой плотности энергии?
• Какие процессы вызывают снижение емкости и ограничивают срок службы?

Key theories

Интеркаляционная электрохимия

В литий-ионных элементах ионы лития обратимо внедряются в слоистые или каркасные электроды и извлекаются из них во время циклирования, запасая заряд без растворения электрода, что обеспечивает длительный срок службы и высокую плотность энергии.

Обратимость и деградация

Срок службы зависит от того, насколько чисто обращаются электродные реакции; побочные реакции, такие как рост межфазного слоя твердого электролита, осаждение лития и структурные изменения, расходуют активный материал и электролит, вызывая снижение емкости.

Clinical relevance

Перезаряжаемые батареи питают портативную электронику, электромобили, медицинские имплантаты и системы хранения энергии в электросетях; их плотность энергии, безопасность и долговечность имеют центральное значение для электрификации и внедрения возобновляемых источников энергии, стимулируя интенсивные исследования материалов.

History

Планте изобрел перезаряжаемый свинцово-кислотный элемент в 1859 году; Уиттингем продемонстрировал интеркаляцию лития в 1970-х годах, Гуденаф идентифицировал катоды из оксида лития-кобальта в 1980 году, а Йошино создал первый практический литий-ионный элемент, коммерциализированный в 1991 году и отмеченный Нобелевской премией по химии в 2019 году.

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino
• Gaston Planté

Seminal works

• winter2004
• goodenough2013
• newman2004

Frequently asked questions

Почему перезаряжаемые батареи теряют емкость со временем?

Многократное циклирование вызывает медленные побочные реакции и структурные изменения — такие как рост межфазного слоя твердого электролита, потеря циклируемого лития и растрескивание электродов, — которые необратимо удаляют активный материал и увеличивают внутреннее сопротивление.

Что позволяет литий-ионным батареям запасать так много энергии?

Литий легок и обеспечивает высокое напряжение элемента, а интеркаляционные хозяева позволяют ионам лития обратимо перемещаться между электродами с небольшими структурными нарушениями, сочетая высокое напряжение, высокую емкость и длительный срок службы.