Литиевые аккумуляторы с полимерным электролитом.
Литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы отличаются от литий-ионных видом используемого полимерного электролита (ПЭ), являющегося одновременно пористым сепаратором и обладающего ионной проводимостью. Все полимерные электролиты делят на 3 типа: сухие, гель-полимерные, содержащие пластификаторы (пропиленкарбонат, этиленкарбонат, диметилкарбонат и др.) и микропористые (например, на основе сополимера винилиденфторида с гексафторпропиленом, в порах которого находится неводный раствор соли). В таблице 1 приведены характеристики аккумуляторов с ПЭ.
Недостатками сухого и микропористого электролита являются их плохая проводимость и высокое внутреннее сопротивление. Однако они хорошо работают при температурах выше 40°С. Литиевый аккумулятор с гель-полимерным электролитом имеет более высокую проводимость, является гибридным и его называют Li-ионным полимерным аккумулятором.
Таблица 1.
Характеристики Li-аккумуляторов с пэ
Тип ПЭ |
Состав и характеристика ПЭ |
Электрическая проводимость, См/м |
Характеристики аккумулятора |
Сухой ПЭ |
полиэтиленоксид + соль лития (LiClO4 LiBF4, LiAsF6) |
10–5–10–2; с добавкой при 60°С до 0,1 |
металлический литиевый анод; безопасны, низкий саморазряд; высокое омическое сопротивление границы раздела электрод/электролит; >100 Вт·ч/кг |
Гель-полимерный |
полиакрилонитрил/ поливинилхлорид + соль лития + пластификатор-растворитель |
до 5 при 25°С |
металлический литиевый анод; 155–160 Вт·ч/кг и 175–270 Вт·ч/л; до 500 циклов |
поливинилиденфторид + полиалкилен-гликольдиакрилаты + соль лития |
до 10,5 |
углеродистый анод; до 500 циклов с сохранением 70% нормируемой емкости. Токи разряда и заряда от 1C до 25C [25]. |
|
Микропористый ПЭ |
пористая матрица с порами 0,1–1 мкм (поливинилденфторид) + неводный раствор соли лития |
до 0,1 |
100–125 Вт·ч/кг; 200–250 Вт·ч/л; 500–1000 циклов |
Li-полимерные и Li-ионные полимерные аккумуляторы имеют следующие преимущества: малую толщину (до 1 мм), гибкий форм-фактор, простую конфигурацию корпуса, лучшую безопасность при эксплуатации. Однако Li-ионные полимерные аккумуляторы имеют более низкую энергетическую плотность и меньший ресурс по сравнению с Li-ионными, а также их производство дороже.
Процесс заряда литий-полимерных аккумуляторов подобен заряду литий-ионных.
Утилизация литиевых аккумуляторов
Большие масштабы производства литиевых ХИТ с учетом используемых в них материалов делают приоритетной проблему утилизации литиевых аккумуляторов после выработки их ресурса, а также отбракованных изделий и технологических отходов производства.
Необходимость утилизации литиевых ХИТ обусловлена как экологическими (литий, его соединения, электролит, катодные материалы являются экологически опасными и могут привести к значительному загрязнению окружающей среды), так и экономическими факторами.
Экологические факторы подробно рассмотрены в вопросе утилизации первичных ЛХИТ (лаб. раб. №3, с. 109).
Экономические факторы. В состав литиевых вторичных ХИТ входит большое количество ценных материалов: металлический литий и его соединения, содержащие дорогостоящие компоненты – кобальт, никель, и др., а также органические вещества.
Известно несколько схем утилизации литий-ионных аккумуляторов, которые используют операции вскрытия источников (механическим, электролитическим способами или с применением лазерного пучка), извлечения и нейтрализации электролита, обработки катодного материала с выделением Co, перевод лития в раствор и т. д. [26, 27].
Большой интерес представляет схема процесса утилизации использованных Li-ионных аккумуляторов с положительным электродом на основе кобальтата лития и электролитом LiPF6 в смеси пропиленкарбоната с диэтилкарбонатом (рис. 8).
Отсутствие металлического лития в литий-ионных аккумуляторах позволяет упростить разборку источников тока и процесс дальнейшей переработки отходов.
Из полученного осадка Co(OH)2 в течение 3 ч при 450°С получают Co3O4, который затем смешивают со стехиометрическим количеством Li2CO3, получающимся в процессе утилизации первичных литиевых источников тока. В результате 5-часового прогрева при 400°С, гомогенизации и последующего 20-часового отжига при 700°С получается кобальтат лития необходимого качества для использования в аккумуляторах. Таким образом, сочетая утилизацию первичных литиевых источников тока и литий-ионных аккумуляторов, удалось создать удачную технологию комплексной рекуперации литиевых источников тока. Считается целесообразным утилизацию литиевых ХИТ проводить на предприятиях, где их изготавливают.
Массовое применение литий-ионных аккумуляторов значительно упрощает проблему их сбора после выработки ресурса. Актуальность вопроса сбора и утилизации отработанных ЛХИТ приобретает все большее значение и для Республики Беларусь.
Рис. 8. Технологическая схема процесса переработки использованных
литий-ионных аккумуляторов