Magnus Ehingers under­visning

— Allt du behöver för A i Biologi, Kemi, Bioteknik, Gymnasiearbete m.m.

Videogenomgång (flippat klassrum)

Litiumjonbatterier

Uppladdningsbara batterier har blivit en absolut nödvändighet i det moderna samhället. De behövs till att driva allt från mobiltelefoner och bärbara datorer till elbilar. I en bil sitter annars en blyackumulator, som också är ett uppladdningsbart batteri. Fördelen med ett litiumjonbatteri är det är mycket lättare och det har högre energitäthet (det går att packa in mer energi/volymsenhet) än vad man kan göra i exempelvis en blyackumulator

Litiumjonbatteriets uppbyggnad

  • Anod: Grafit, C6 + kopparfolie
  • Katod: Till exempel LiFePO4 + aluminiumfolie
  • Elektrolyt: Till exempel etylenkarbonat
    • Hyfsat polärt lösningsmedel (vatten funkar ej på grund av litiummetalls reaktion med vatten!).
  • Separator: Till exempel polypropenplast
    • Hindrar anod och katod från att röra vid varandra.
    • Tillräckligt tunn för att litiumjoner ska kunna diffundera genom den.

Etylenkarbonat.Etylenkarbonat.

När litiumjonbatteriet laddas upp oxideras Fe²⁺ till Fe³⁺ i katoden samtidigt som Li⁺ reduceras i anoden. För detaljerad beskrivning, se texten.När litiumjonbatteriet laddas upp oxideras Fe²⁺ till Fe³⁺ i katoden samtidigt som Li⁺ reduceras i anoden. För detaljerad beskrivning, se texten.

Uppladdning av litiumjonbatteriet

Strömkällan trycker ner elektroner i anoden. Elektronerna hämtas från katoden där litiumjärn(II)fosfaten, LiFePO4, oxideras till järn(III)fosfat, FePO4:

LiFePO4(s) → FePO4(s) + Li+(org) + e

Litiumjonerna diffunderar över det tunna plastmembranet till anoden, där de reduceras till grafitbundet litium:

Li+(org) + e + C6(s) → LiC6 

Urladdning av litiumjonbatteriet

Litiummetall är ett starkt reduktionsmedel, och järn(III)joner är ett någorlunda starkt oxidationsmedel. Därför sker den motsatta reaktionen mot uppladdning spontant. Då laddas batteriet ur.

När litiumjonbatteriet laddas ur oxideras litiummetallen samtidigt som järn(III)fosfaten reduceras. För detaljerad beskrivning, se texten.När litiumjonbatteriet laddas ur oxideras litiummetallen samtidigt som järn(III)fosfaten reduceras. För detaljerad beskrivning, se texten.

Fe3+-jonerna i järn(III)fosfaten reduceras till Fe2+-joner. Litiumjoner från elektrolyten diffunderar mot katoden så att det bildas litiumjärn(II)fosfat, LiFePO4. Elektronerna hämtas från det graftibundna litiumet, som oxideras till litiumjoner, och litiumjonerna diffunderar ut i elektrolyten. 

Elektrod- och cellreaktion

anod, ox.: LiC6(s) → Li+(org) + e + C6(s)
katod, red.: Li+(org) + e + FePO4(s) → LiFePO4(s)
Cellreaktion: LiC6(s) + FePO4(s) → LiFePO4(s) + C6(s)