Практически ни одно современное портативное автономное электронное устройство не обходится без использования литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) в качестве источников энергии. Ультратонкие мобильные телефоны, которые нужно заряжать всего несколько раз в месяц, сверхлегкие ноутбуки, способные к длительной автономной работе - все это, еще недавно казавшееся несбыточной мечтой, сегодня благодаря развитию нанотехнологий становится частью повседневной жизни общества.

Простейший литий-ионный аккумулятор состоит из катода и анода, соединенных между собой проводником (внешней электрической цепью) и погруженных в раствор соли лития (LiPF₆ или LiClO₄) в органическом (апротонном) растворителе. В качестве анода часто используется титанат лития Li₄Ti₅O₁₂, тогда как наиболее перспективным катодным материалом является оливин LiFePO₄. Реакции, протекающие на этих электродах, можно представить следующим образом:

Li₄Ti₅O₁₂ + 3Li⁺ + 3e ↔ Li₇Ti₅O₁₂ (1)

LiFePO₄ ↔ Li⁺ + e + FePO₄ (2)

1) Почему в аккумуляторах используется именно литий, хотя по распространенности на Земле он занимает всего лишь 32 место, к тому же дорог и химически агрессивен? Нельзя ли его чем-нибудь заменить? (3 балла).

2) Поясните, в каком направлении протекают полуреакции (1) и (2) при зарядке и разрядке аккумулятора. За счет чего возникает электрический ток? (2 балла). Почему выбраны именно эти соединения? (2 балла)

3) В более старых моделях ЛИА в качестве катодного материала использовался кобальтит лития LiCoO₂, тогда катодная полуреакция может быть представлена следующим образом: LiCoO₂ ↔ Li⁺ + e + CoO₂. Однако, устройства с такими катодами оказались опасными, например, в мире ежегодно в руках пользователей взрывалось более 100 мобильных телефонов. С чем это могло быть связано? Как Вы думаете, почему LiFePO₄ как катодный материал лучше, чем LiCoO₂ (2 балла)?

4) Одной из важнейших характеристик электродного материала для ЛИА является его обратимая электрохимическая емкость, то есть заряд, который может обратимо накапливаться данным материалом и извлекаться из него в ходе цикла заряда-разряда. Электрохимическая емкость обычно выражается в миллиамперах*час/грамм. Рассчитайте теоретическую электрохимическую емкость оливина FePO₄ (1 балл).

5) В реальных условиях электрохимическая емкость материала всегда меньше теоретической. Максимальные значения емкости, близкие к теоретическим, достигаются для наноматериалов. Почему именно наноматериалы обладают таким уникальным свойством? (2 балла)

6) Предложите способ получения электродного наноматериала на основе LiFePO₄ из доступных реагентов. Как можно контролировать размер и форму наночастиц оливина при синтезе? (2 балла) Зачем в ряде случаев при получении этого материала используют… обычный сахар? (2 балла)

7) Современный ноутбук, способный работать до 10 часов без подзарядки, содержит около 3 кг LiFePO₄. Оцените, сколько дров с теплотой сгорания 10⁶ Дж/кг понадобилось бы сжечь, чтобы выделившейся энергии было достаточно для обеспечения такой же продолжительной работы ноутбука. Учтите, что обратимая электрохимическая емкость материала составляет 95% от теоретической, а напряжение работы такого ЛИА составляет 3.5 В. Также известно, что при сгорании дров в полезную работу можно превратить не более 25% выделившейся энергии (2 балла).

Условия задачи можно скачать в виде файла.