Accumulatore litio-cobalto diossido
L' accumulatore di biossido di litio e cobalto , anche accumulatore LiCoO 2 , è un accumulatore di ioni di litio con ossido di litio cobalto (III) (LiCoO 2 ) come materiale dell'elettrodo positivo. Dal 1990 al 2010 circa, la maggior parte dei dispositivi mobili disponibili in commercio utilizzava una batteria al biossido di litio-cobalto, che era anche il primo tipo di batteria agli ioni di litio disponibile in commercio. A causa di questa posizione dominante nel mercato, il termine generico di batteria agli ioni di litio è stato in molti casi sinonimo della variante di batteria al biossido di litio e cobalto. Oggi non è più così, poiché vengono vendute batterie agli ioni di litio con diverse composizioni chimiche.
Come tutti gli accumulatori agli ioni di litio, anche gli accumulatori LiCoO 2 possono essere progettati come accumulatori ai polimeri di litio .
Gli accumulatori di biossido di litio e cobalto tendono a scappare termicamente quando sono sovraccarichi .
storia
La batteria al litio-biossido di cobalto è stata la prima batteria disponibile in commercio con ioni di litio che non utilizzava litio metallico sul lato del polo negativo. L'utilità del LiCoO 2 come materiale per elettrodi è stata scoperta nel 1980 da un gruppo di ricerca guidato da John B. Goodenough presso l' Università di Oxford . L' elettrodo positivo è costituito dall'omonima sostanza ossido di litio cobalto (III) . La prima batteria agli ioni di litio disponibile in commercio è stata presa come accumulatore al litio-cobaltoioxid da Sony nel 1991 sul mercato e nell'Hi8 - La videocamera CCD TR 1 utilizzata aveva due celle collegate in serie, una tensione del pacco batteria di 7, 2 V e una capacità di circa 1200 mAh.
costruzione
L'elettrodo negativo di un accumulatore di biossido di litio cobalto disponibile in commercio è costituito da grafite , l'elettrodo positivo è costituito da biossido di litio cobalto (LiCoO 2 ) e l'elettrolita è un sale di litio in una soluzione organica. Il rame e l'alluminio sono usati come materiali di arresto.
L' elettrolita è costituito da una miscela di solventi aprotici come carbonato di etilene , carbonato di propilene , dimetil carbonato , dietil carbonato o 1,2-dimetossietano nonché esafluorofosfato di litio (LiPF 6 ) disciolto in esso . L'elettrolita deve essere anidro (H 2 O contenuto <20 ppm), altrimenti l'acqua reagisce con il sale conduttivo LiPF 6 per formare HF (acido fluoridrico).
Il litio stesso costituisce solo una frazione del materiale della batteria utilizzato. È solo dall'1 all'1,5%, il resto sono i materiali del catodo, dell'anodo o degli strati di rame conduttivi.
Equazione di reazione
Mezza reazione dell'elettrodo positivo (strato di biossido di litio cobalto):
Mezza reazione dell'elettrodo negativo (strato di grafite):
Reazione generale (sinistra: carica, destra: scarica):
In caso di grave sovraccarico (tensione della cella superiore a 4,6 V), l'elettrolita si decompone. Se la carica è troppo veloce, viene prodotto litio metallico sull'elettrodo di grafite, che reagisce con l'elettrolita e quindi lo consuma. Inoltre, il litio metallico può causare cortocircuiti e quindi surriscaldamento e incendi
applicazione
Fino al 2010 circa, la maggior parte delle batterie agli ioni di litio conteneva biossido di litio cobalto come materiale per elettrodi positivi, comprese le batterie di Apple ( iPhone 6 Plus), Microsoft, Samsung e Sony, così come le auto elettriche di Daimler e Volkswagen.
Le batterie agli ioni di litio conterranno ancora ossido di cobalto nel 2020, soprattutto quando si tratta di densità di energia elevate o correnti di scarica elevate. Tuttavia, per lo più non è più l'originale ossido di litio cobalto (III) LiCoO 2 , ma piuttosto ossidi misti legati a LiCoO 2 come gli ossidi di litio nichel manganese cobalto NMC nell'accumulatore NMC o litio nichel Cobalto-alluminio-ossido NCA.
Manipolazione e pericoli
In caso di danni meccanici possono verificarsi sovraccarico, cortocircuito o carica eccessiva di batterie molto scariche, cortocircuiti e / o reazioni altamente esotermiche che non possono essere arrestate. A causa del forte sviluppo di calore, i componenti della cella possono dissolversi (es. Il separatore), si verifica un cortocircuito interno (se questo non è la causa) e da temperature di circa 180 ° C sull'ossido di litio cobalto (III) utilizzato al rilascio di ossigeno nella cella, che alla fine porta a una fuga termica incontrollata che non può più essere influenzata dall'esterno, provocando un incendio.
Le batterie agli ioni di litio che bruciano emettono fumi tossici e irritanti.
Gli accumulatori di biossido di litio e cobalto in fiamme e altri accumulatori di ioni di litio devono essere spenti con abbondante acqua. Una volta avviato il processo di fuga termica, l'incendio non può più essere soffocato dalla generazione di ossigeno nella cella, che è indipendente dall'aria ambiente, ma il raffreddamento per mezzo dell'acqua può proteggere le altre celle e impedire la propagazione dell'incendio. Un'altra misura per piccole batterie o singole celle è lasciare che la batteria si bruci in modo controllato.
Le batterie al litio-biossido di cobalto sono installate sull'aereo passeggeri Boeing 787 Dreamliner , che ha provocato due incendi nel gennaio 2013. In definitiva, la causa non è stata chiarita.
Prove individuali
- ^ Daniel Doughty, Ahmad Pesaran: Guida alla tabella di marcia per la sicurezza della batteria del veicolo . Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili. Estratto il 19 gennaio 2013.
- ↑ K. Mizushima, PC Jones, Philip J. Wiseman, John B. Goodenough: Li x CoO 2 (0 <x ≤ 1): un nuovo materiale catodico per batterie ad alta densità di energia . In: Bollettino di ricerca sui materiali . nastro 15 , no. 6 . Elsevier, giugno 1980, ISSN 0025-5408 , pagg. 783-789 , doi : 10.1016 / 0025-5408 (80) 90012-4 ( elsevier.com ).
- ↑ Uno sguardo all'interno della batteria di un iphone 6 plus .
- ↑ HJ Bergveld, WS Kruijt, PHL Notten: Battery Management System: Design by modeling . Springer , 2002, ISBN 978-94-017-0843-2 , pagg. 107-108, 113.
- ↑ S Dhameja: Sistemi di batterie per veicoli elettrici . Newnes Press , 2001, ISBN 978-0-7506-9916-7 , p. 12.
- ↑ Uno sguardo all'interno della batteria di un iphone 6 plus .
- ↑ Guida alla roadmap per la sicurezza della batteria del veicolo. (PDF) National Renewable Energy Laboratory, US Department of Energy, p. 108 , accesso 10 ottobre 2017 .
- ↑ a b https://www.umweltbundesamt.de/umwelttipps-fuer-den-alltag/elektrogeraete/lithium-batterien-lithium-ionen-akkus#gewusst- wie comunicazione della Federal Environment Agency sulla gestione delle batterie al litio, accesso 4 marzo 2020
- ↑ https://vision-mobility.de/news/lithium-ionen-akkus-am-besten-mit-wasser-loeschen-1991.html Thilo Jörgl: È meglio spegnere le batterie agli ioni di litio con acqua, gli esperti sconsigliano gli incendi altri agenti estinguenti. Annuncio di Huss Verlag il 24 settembre 2018, accesso il 4 marzo 2020
- ^ Daniel Michaels: Batterie come quelle su Dreamliner hanno sollevato preoccupazioni . In: The Wall Street Journal , 18 gennaio 2013. Estratto il 19 gennaio 2013.
