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
• Vergelijking met Zink (klassieke batterijen)
• Bouw van een Lithium-ionbatterij
• Werking van een Li-ionbatterij
• Opladen van de batterij
• Ontladen van de batterij

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-kathode (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.