Epoca smartphone-urilor are o vechime de doar un deceniu, dar aceste computere de buzunar care reprezintă un important factor de schimbare socială sunt posibile doar datorită unei alte tehnologii: bateriile cu ioni de litiu.

Vândute pentru prima dată în 1991 de Sony, pentru camerele sale video, aceste tipuri de baterii sunt bune pentru mai mult decât electronice portabile de consum. Ele sunt în centrul altor două revoluții tehnologice cu puterea de a transforma societatea: trecerea de la motoarele cu ardere internă la vehicule electrice și trecerea de la o rețea electrică alimentată de combustibili fosili la generatoare de energie regenerabilă care stochează electricitatea în exces în baterii, pentru utilizare viitoare.



· Deci, cum funcționează bateriile litiu-ion?

Oamenii de știință și inginerii s-au străduit cariere întregi încercând să construiască baterii mai bune; încă există mistere pe care nu le înțelegem pe deplin. Pentru îmbunătățirea bateriilor este nevoie de chimiști și fizicieni care să analizeze schimbările la nivel atomic, precum și de ingineri mecanici și electronişti care pot proiecta și asambla pachetele de baterii care vor alimenta dispozitivele.

În calitate de om de știință specializat în materiale la Universitatea Washington și Laboratorul Naţional Pacific Northwest, munca mea a ajutat la explorarea de noi materiale pentru baterii litiu-aer, baterii pe bază de magneziu și, desigur, baterii litiu-ion.

Să ne aplecăm atenţia asupra unei zile din viața a doi electroni. Îl vom numi pe unul dintre aceștia Alex, care are un prieten pe nume George.


· Anatomia bateriei


Alex trăiește în interiorul unei baterii alcaline standard tip AA, ca cea folosită pentru lanternă sau telecomandă. În interiorul unei baterii AA, există un compartiment umplut cu zinc și altul umplut cu oxid de mangan.

La un capăt, zincul menţine cu greu electroni ca Alex. Pe celălalt capăt, oxidul de mangan atrage cu putere electroni spre sine. Între cele două capete, pentru a bloca deplasarea electronilor dintr-o parte în alta, este o bucată de hârtie îmbibată într-o soluție de potasiu și apă, în care coexistă ioni de potasiu pozitivi și ioni de hidroxid negativi.

Când bateria este introdusă într-un dispozitiv și este activată, circuitul intern al dispozitivului este închis. Alex este scos din zinc, trece prin circuit și merge în oxidul de mangan. Pe parcurs, mișcarea sa alimentează dispozitivul sau becul sau orice altceva este conectat la baterie. Când Alex pleacă, nu mai poate reveni: zincul care a pierdut electronul se cuplează cu hidroxidul pentru a forma oxid de zinc. Acest compus este extrem de stabil și nu poate fi transformat cu ușurință înapoi în zinc.

Pe partea cealaltă a bateriei, oxidul de mangan obține un atom de oxigen din apă și lasă ioni de hidroxid în urmă pentru a echilibra hidroxidul consumat de zinc. După ce toți vecinii lui Alex au părăsit zincul și s-au mutat în oxidul de mangan, bateria este descărcată și trebuie reciclată.



· Avantajele bateriei litiu-ion

Să comparăm situaţia lui Alex, prezentată mai sus, cu cea a lui George, care locuiește într-o baterie litiu-ion. Bateriile cu ioni de litiu au aceleași blocuri de bază ca celulele alcaline tip AA, cu câteva diferențe care conferă avantaje majore.

George trăiește în grafit, care este chiar mai "nepriceput" decât zincul când vine vorba de a păstra electronii. Iar în cealaltă parte a bateriei este oxid de cobalt-litiu, care atrage electroni mult mai puternic decât oxidul de mangan - ceea ce îi oferă bateriei capacitatea de a stoca mult mai multă energie decât o baterie alcalină, în acelaşi spațiu. Soluția care separă grafitul și oxidul de cobalt-litiu conține ioni de litiu încărcați pozitiv, care formează și rup ușor legăturile chimice pe măsură ce bateria este descărcată și reîncărcată.


Pe măsură ce electronii se mișcă în afara bateriei, ionii de litiu se deplasează în interiorul acesteia pentru a menține echilibrul electric.
credit: Islam and Fisher, Chemical Society Review, 2014., CC BY


Aceste reacții chimice sunt reversibile, spre deosebire de formarea oxidului de zinc, ceea ce permite electronilor și ionilor de litiu să curgă înainte și înapoi de-a lungul mai multor cicluri de încărcare și descărcare.

Totuși, acest proces nu este 100% eficient - toate bateriile își pierd în cele din urmă capacitatea de a menţine energia. Cu toate acestea, familia de substanţe Li-ion este suficient de puternică pentru a domina tehnologia bateriilor în prezent.

 
CUM FUNCŢIONEAZĂ BATERIILE LITIU-ION?

 

 

Traducere după: How do lithium-ion batteries work?