De Li-ionbatterij, klein maar krachtig

De Li-ionbatterij, klein maar krachtig In 2019 ging de Nobelprijs voor de scheikunde naar de uitvinders van de Li-ionbatterij. Li is dankzij zijn kleine massa en zijn sterk reducerend vermogen uiterst geschikt om te worden gebruikt in sterke batterijen. De Li-ionbatterij is onder de batterijen dan ook het lichtgewicht met groot vermogen.

Inhoud


Lithium (Li), het kleinste element der metalen

Met zijn molaire massa van 6.94 g is Li het kleinste element der metalen. Li is echter wel het metaal met het grootste reducerend vermogen. Dit maakt het tot een heel onstabiel metaal. Indien lithiummetaal niet wordt afgeschermd van zijn omgeving, zal het zijn enige elektron afgeven aan om het even welke oxidator.

Wanneer Li in contact komt met water en/of zuurstof zal het explosief reageren.
  • 4Li + O2 → 2Li2O
  • Li2O + H2O → 2LiOH

Of rechtstreeks met water:
  • 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2

Li is het metaal met de laagste molaire massa. Het heeft een molaire massa van 6.94 g/mol. Dit betekent dat 6.023.1023 atomen (= 1 mol) Li samen 6.94 g wegen.

Halfreactie: Li → Li+ + e-

Elk lithiumatoom kan 1 elektron afgeven of 1 mol lithiumatomen levert dus 6.023.1023 e- (=96500 C). 6.94g Li kan dus 96500C leveren.

Vergelijking met Zink (klassieke batterijen)

Zink is het meest gebruikte metaal in klassieke batterijen zoals bijvoorbeeld in alkalinebatterijen. Zn heeft voldoende reducerend vermogen om te worden gebruikt in een goed functionerende batterij maar het is niet explosief. Zn heeft echter een molaire massa van 65.39 g/mol.

Halfreactie: Zn → Zn2+ + 2 e-

Elk zinkatoom kan 2 elektronen afgeven of 1 mol zinkatomen levert dus 12.046.1023 e- (=193000 C). 65.39g Zn kan dus 193000C leveren.

Per massaeenheid kan Li dus bijna 5 keer meer stroom leveren dan Zn.

Bouw van een Lithium-ionbatterij

Li-batterijen bestaan uit een Li-metaal-anode (of Li-atomen gemengd met grafiet en geperst tot een elektrode), een metaaloxide- of metaalsulfide-anode (bvb., MnO2) die Li+-ionen kan opnemen en een elektrolyt dat een Li+-zout bevat (zoals LiClO4) in een organisch solvent. Ook meer gesofisticeerde elektrolyten gebaseerd op polymeren die in staat zijn Li+-ionen te transporteren, zijn in gebruik.

Werking van een Li-ionbatterij

Li kan elektrisch gestabiliseerd worden door het in te bouwen in een metaaloxiderooster. Een Li-ionbatterij wordt gemaakt door een metaaloxiderooster, verrijkt met Li, te scheiden van een grafietlaag door middel van een elektrolytlaag.

Opladen van de batterij

Wanneer de batterij wordt aangesloten op een stroombron, positieve pool verbonden met het metaaloxiderooster en de negatieve pool verbonden met de grafietlaag, zullen de elektronen van de Li-atomen zich langs deze stroombron verplaatsen van het metaaloxide naar de grafietlaag. De hierbij gevormde Li-ionen zullen door de elektrolietlaag heen worden aangetrokken door de negatief geladen grafietlaag. In dit proces wordt de batterij opgeladen.

Ontladen van de batterij

Deze toestand is niet stabiel en vanaf het moment dat de externe energiebron wordt verwijderd, zullen de Li-ionen zich opnieuw via de elektrolietlaag verplaatsen naar het metaaloxide. De elektronen volgen de ionen maar wel langs de externe kring waarop de batterij is aangesloten.

Voor het geval van een MnO2-kathode hebben de volgende reacties plaats:
  • anode reactie: Li → Li+ + e-
  • kathode reactie: MnO2 + Li+ + e- → LiMnO2

De verplaatsing van de Li-ionen van de ene naar de andere pool maakt de Li-ionbatterij ook verschillend van klassieke oplaadbare batterijen waar geen transport van stoffen optreedt tussen de beide polen.
© 2020 Guust2016, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Scheikunde - Molaire massaScheikunde - Molaire massaMolaire massa, molverhouding en molariteit zeker niet te missen begrippen in het scheikunde. Zodra je de molaire massa-…
Scheikunde - rekenen met molScheikunde - rekenen met molMol is een rekenhulp die vaak gebruikt wordt in de scheikunde. Het geeft eigenlijk aan hoeveel er van een bepaalde stof…
Klussen: elektronica gelijkspanning en wisselspanningBij elektronica gaat het erom om de elektronen stroom goed onder controle te hebben. Pas dan kan je er allerlei dingen m…
De superbatterij: sneller opladen en een langere levensduurDe superbatterij: sneller opladen en een langere levensduurIn oktober 2014 is een nieuwe batterij ontwikkeld die in een paar minuten compleet opgeladen kan worden. Ook is de leven…

Chemische reacties in de koolstofchemie: een overzichtChemische reacties in de koolstofchemie: een overzichtIn de minerale chemie bestuderen we neutralisatiereacties, neerslagreacties, complexvormingsreacties en redoxreacties. H…
Natrium en dichloor uit keukenzout, theoretisch bekekenNatrium en dichloor uit keukenzout, theoretisch bekekenWanneer je ooit de reactie tussen natriummetaal en water hebt gezien, weet je dat die vrij explosief is. De elektrolytis…
Bronnen en referenties

Reageer op het artikel "De Li-ionbatterij, klein maar krachtig"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Guust2016
Laatste update: 03-03-2020
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Scheikunde
Bronnen en referenties: 1
Schrijf mee!