Které chemické prvky vedou proud?

V moderním životě nás všude obklopují chemické zdroje proudu: jsou to baterie do baterek, baterie do mobilních telefonů, vodíkové palivové články, které se již používají v některých autech. Rychlý rozvoj elektrochemických technologií může vést k tomu, že v blízké budoucnosti nás místo aut na benzín budou obklopovat jen elektromobily, telefony se přestanou rychle vybíjet a každý dům bude mít vlastní palivový článek generátor. Jeden ze společných programů Uralské federální univerzity a Ústavu vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd se věnuje zvyšování účinnosti elektrochemických zásobníků a generátorů elektřiny, ve spolupráci s nimiž publikujeme tento článek.

V dnešní době existuje mnoho různých typů baterií, ve kterých může být stále obtížnější se orientovat. Není každému jasné, jak se baterie liší od superkondenzátoru a proč lze použít vodíkový palivový článek bez obav z poškození životního prostředí. V tomto článku budeme hovořit o tom, jak se chemické reakce používají k výrobě elektřiny, jaký je rozdíl mezi hlavními typy moderních chemických zdrojů proudu a jaké vyhlídky se otevírají elektrochemické energii.

Chemie jako zdroj elektřiny

Nejprve si ujasněme, proč lze chemickou energii vůbec využívat k výrobě elektřiny. Jde o to, že během redoxních reakcí se elektrony přenášejí mezi dvěma různými ionty. Pokud jsou dvě poloviny chemické reakce v prostoru odděleny tak, že oxidace a redukce probíhají odděleně od sebe, pak je možné zajistit, aby se elektron, který opustí jeden iont, nedostal okamžitě k druhému, ale nejprve prošel podél cesta k tomu předem určená. Tato reakce může být použita jako zdroj elektrického proudu.

Tento koncept byl poprvé realizován v 18. století italským fyziologem Luigim Galvanim. Působení tradičního galvanického článku je založeno na redukčních a oxidačních reakcích kovů s různou aktivitou. Například klasický článek je galvanický článek, ve kterém se oxiduje zinek a redukuje měď. Redukční a oxidační reakce probíhají na katodě a anodě. A aby se ionty mědi a zinku nedostaly na „cizí území“, kde mohou spolu přímo reagovat, je mezi anodu a katodu obvykle umístěna speciální membrána. V důsledku toho vzniká mezi elektrodami rozdíl potenciálů. Pokud připojíte elektrody např. k žárovce, tak ve vzniklém elektrickém obvodu začne téct proud a žárovka se rozsvítí.

Kromě materiálů anody a katody je důležitou součástí zdroje chemického proudu elektrolyt, uvnitř kterého se pohybují ionty a na jehož hranici probíhají s elektrodami všechny elektrochemické reakce. Elektrolyt v tomto případě nemusí být kapalný – může to být buď polymer, nebo keramický materiál.

Hlavní nevýhodou galvanického článku je jeho omezená doba provozu. Jakmile reakce skončí (tedy celá postupně se rozpouštějící anoda je zcela spotřebována), přestane takový prvek jednoduše fungovat.

Dobíjecí

Prvním krokem k rozšíření možností chemických zdrojů proudu bylo vytvoření baterie – zdroje proudu, který lze dobíjet a tedy znovu použít. K tomu vědci jednoduše navrhli použití reverzibilních chemických reakcí. Po prvním úplném vybití baterie pomocí externího zdroje proudu lze spustit reakci, která v ní probíhala v opačném směru. Tím se vrátí do původního stavu, aby bylo možné baterii po nabití znovu použít.

Dnes bylo vytvořeno mnoho různých typů baterií, které se liší typem chemické reakce, která v nich probíhá. Nejběžnějším typem baterií jsou olověné (nebo jednoduše olověné), které jsou založeny na oxidačně-redukční reakci olova. Taková zařízení mají poměrně dlouhou životnost a jejich energetická náročnost je až 60 watthodin na kilogram. Ještě populárnější jsou v poslední době lithium-iontové baterie založené na oxidačně-redukční reakci lithia. Energetická náročnost moderních lithium-iontových baterií nyní přesahuje 250 watthodin na kilogram.

Hlavními problémy lithium-iontových baterií je jejich nízká účinnost při nízkých teplotách, rychlé stárnutí a zvýšené riziko výbuchu. A vzhledem k tomu, že kov lithia velmi aktivně reaguje s vodou za vzniku plynného vodíku a při hoření baterie se uvolňuje kyslík, samovznícení lithium-iontové baterie je velmi obtížně použitelné tradičními metodami hašení. Aby se zvýšila bezpečnost takové baterie a urychlila doba jejího nabíjení, vědci navrhují upravit materiál katody tak, aby se zabránilo tvorbě dendritických struktur lithia, a přidat do elektrolytu látky, které blokují tvorbu výbušných struktur a komponenty, které potlačují požár. v raných fázích.

Pevný elektrolyt

Jako další méně zřejmý způsob, jak zlepšit účinnost a bezpečnost baterií, chemici navrhli neomezit zdroje chemického proudu na kapalné elektrolyty, ale vytvořit zcela pevný zdroj proudu. V takových zařízeních nejsou vůbec žádné kapalné součásti, ale vrstvená struktura pevné anody, pevná katoda a pevný elektrolyt mezi nimi. Elektrolyt současně plní funkci membrány. Nosiče náboje v pevném elektrolytu mohou být různé ionty v závislosti na jeho složení a reakcích, které probíhají na anodě a katodě. Ale jsou to vždy dostatečně malé ionty, které se mohou relativně volně pohybovat po krystalu, například protony H+, ionty lithia Li+ nebo ionty kyslíku O 2-.

Vodíkové palivové články

Schopnost dobíjení a speciální bezpečnostní opatření činí baterie mnohem perspektivnějšími zdroji proudu než konvenční baterie, ale přesto každá baterie obsahuje omezené množství činidel, a tedy omezenou zásobu energie, a pokaždé je nutné baterii dobít, aby se obnovila její funkčnost.

Chcete-li, aby byla baterie „nekonečná“, můžete jako zdroj energie použít nikoli látky, které jsou uvnitř článku, ale palivo, které je přes něj speciálně čerpané. Nejlepší volbou pro takové palivo je látka, která má co nejjednodušší složení, je šetrná k životnímu prostředí a na Zemi je hojně dostupná.

Nejvhodnější látkou tohoto typu je plynný vodík. Jeho oxidace vzdušným kyslíkem za vzniku vody (podle reakce 2H₂ + O.₂ → 2 hodiny₂O) je jednoduchá redoxní reakce a jako zdroj proudu lze použít i transport elektronů mezi ionty. Reakce, ke které dochází, je druh reverzní reakce na elektrolýzu vody (při níž se pod vlivem elektrického proudu voda rozkládá na kyslík a vodík) a takové schéma bylo poprvé navrženo v polovině 19. .

Ale navzdory skutečnosti, že obvod vypadá docela jednoduše, vytvoření efektivně fungujícího zařízení založeného na tomto principu není triviální úkol. K tomu je nutné oddělit toky kyslíku a vodíku v prostoru, zajistit transport potřebných iontů elektrolytem a snížit možné ztráty energie ve všech fázích práce.

Obvod pracovního vodíkového palivového článku je velmi podobný obvodu chemického zdroje proudu, ale obsahuje další kanály pro přívod paliva a okysličovadla a odvádění reakčních produktů a přebytečných přiváděných plynů. Elektrody v takovém prvku jsou porézní vodivé katalyzátory. Na anodu je přiváděno plynné palivo (vodík) a na katodu oxidační činidlo (kyslík ze vzduchu) a na rozhraní každé elektrody s elektrolytem probíhá její vlastní poloviční reakce (oxidace vodíku resp. redukce kyslíku). V tomto případě může v závislosti na typu palivového článku a typu elektrolytu k samotné tvorbě vody dojít buď v anodě, nebo v katodovém prostoru.

Pokud je elektrolytem proton vodivý polymer nebo keramická membrána, roztok kyseliny nebo zásady, pak nosičem náboje v elektrolytu jsou vodíkové ionty. V tomto případě na anodě dochází k oxidaci molekulárního vodíku na vodíkové ionty, které procházejí elektrolytem a reagují zde s kyslíkem. Je-li nosičem náboje kyslíkový iont O 2–, jako v případě pevného oxidového elektrolytu, pak se kyslík na katodě redukuje na iont, tento iont prochází elektrolytem a oxiduje vodík na anodě za vzniku vody a volné elektrony.

Kromě reakce oxidace vodíku bylo navrženo použití jiných typů reakcí pro palivové články. Například místo vodíku může být redukčním palivem methanol, který se oxiduje kyslíkem na oxid uhličitý a vodu.

Účinnost palivových článků

Přes všechny výhody vodíkových palivových článků (jako je šetrnost k životnímu prostředí, prakticky neomezená účinnost, kompaktní rozměry a vysoká energetická náročnost) mají i řadu nevýhod. Mezi ně patří především postupné stárnutí součástí a potíže se skladováním vodíku. Právě na tom, jak tyto nedostatky odstranit, vědci dnes pracují.

V současnosti se navrhuje zvýšit účinnost palivových článků změnou složení elektrolytu, vlastností katalytické elektrody a geometrie systému (což zajišťuje přívod palivových plynů do požadovaného bodu a snižuje vedlejší účinky). Pro řešení problému skladování plynného vodíku se používají materiály obsahující platinu, k jejichž sycení se navrhuje použít např. grafenové membrány.

Díky tomu je možné zvýšit stabilitu palivového článku a životnost jeho jednotlivých součástí. Nyní koeficient přeměny chemické energie na elektrickou energii v takových prvcích dosahuje 80 procent a za určitých podmínek může být ještě vyšší.

Obrovské vyhlídky vodíkové energie jsou spojeny s možností kombinovat palivové články do celých baterií a přeměnit je na elektrické generátory s vysokým výkonem. Již nyní mají elektrické generátory na vodíkové palivové články výkon až několik stovek kilowattů a používají se jako zdroje energie pro vozidla.

Alternativní elektrochemické skladování

Kromě klasických elektrochemických zdrojů proudu se jako zařízení pro uchovávání energie používají také neobvyklé systémy. Jedním z takových systémů je superkondenzátor (nebo ionistor) – zařízení, ve kterém dochází k separaci a akumulaci náboje v důsledku vytvoření dvojité vrstvy v blízkosti nabitého povrchu. Na rozhraní elektroda-elektrolyt v takovém zařízení jsou ionty různých znaků seřazeny do dvou vrstev, takzvané „dvojité elektrické vrstvy“, tvořící jakýsi velmi tenký kondenzátor. Kapacita takového kondenzátoru, tedy množství akumulovaného náboje, bude určena měrným povrchem materiálu elektrody, proto je výhodné brát jako materiál porézní materiály s maximálním měrným povrchem. superkondenzátory.

Ionistory jsou rekordmany mezi nabíjecími a vybíjecími chemickými zdroji proudu z hlediska rychlosti nabíjení, což je nepochybná výhoda tohoto typu zařízení. Bohužel drží i rekord v rychlosti vybíjení. Hustota energie ionistorů je osmkrát menší ve srovnání s olověnými bateriemi a 25krát menší než u lithium-iontových baterií. Klasické „dvouvrstvé“ ionistory nevyužívají jako základ elektrochemickou reakci a nejpřesněji se pro ně vztahuje termín „kondenzátor“. U těch verzí ionistorů, které jsou založeny na elektrochemické reakci a akumulace náboje zasahuje do hloubky elektrody, je však možné dosáhnout vyšších časů vybíjení při zachování rychlé rychlosti nabíjení. Úsilí vývojářů superkondenzátorů směřuje k vytvoření hybridních zařízení s bateriemi, které kombinují výhody superkondenzátorů, především vysokou rychlost nabíjení, a výhody baterií – vysokou energetickou náročnost a dlouhou dobu vybíjení. Představte si v blízké budoucnosti baterii-ionistor, který se nabije za pár minut a bude pohánět notebook nebo smartphone na jeden den nebo déle!

Navzdory skutečnosti, že nyní je energetická hustota superkondenzátorů stále několikanásobně nižší než energetická hustota baterií, používají se ve spotřební elektronice a pro motory různých vozidel, včetně nejmodernějšího vývoje.

Dnes tedy existuje velké množství elektrochemických zařízení, z nichž každé je perspektivní pro své specifické aplikace. Pro zlepšení účinnosti těchto zařízení potřebují vědci vyřešit řadu problémů jak zásadního, tak technologického charakteru. Většina těchto úkolů je realizována v rámci jednoho z průlomových projektů na Uralské federální univerzitě, proto jsme se zeptali Maxima Ananyeva, ředitele Ústavu vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd, profesora z katedry technologie elektrochemické výroby Ústavu chemické technologie Uralské federální univerzity, abychom hovořili o bezprostředních plánech a perspektivách vývoje moderních palivových článků.

N+1: Existují nějaké alternativy k aktuálně nejoblíbenějším lithium-iontovým bateriím očekávaným v blízké budoucnosti?

Maxim Ananyev: Moderní úsilí vývojářů baterií je zaměřeno na nahrazení typu nosiče náboje v elektrolytu z lithia na sodík, draslík a hliník. V důsledku výměny lithia bude možné snížit náklady na baterii, i když se úměrně zvýší hmotnostní a rozměrové charakteristiky. Jinými slovy, se stejnými elektrickými charakteristikami bude sodík-iontová baterie větší a těžší ve srovnání s lithium-iontovou baterií.

Kromě toho je jednou ze slibných rozvojových oblastí pro zlepšení baterií vytváření hybridních chemických zdrojů energie založených na kombinaci kov-iontových baterií se vzduchovou elektrodou, jako je tomu u palivových článků. Obecně platí, že směr vytváření hybridních systémů, jak již bylo ukázáno na příkladu superkondenzátorů, zjevně v blízké budoucnosti umožní vidět na trhu chemické zdroje energie s vysokými spotřebitelskými vlastnostmi.

Uralská federální univerzita spolu s akademickými a průmyslovými partnery v Rusku a ve světě dnes realizuje šest megaprojektů, které jsou zaměřeny na průlomové oblasti vědeckého výzkumu. Jedním z těchto projektů je „Pokročilé technologie elektrochemické energie od chemického návrhu nových materiálů po elektrochemická zařízení nové generace pro uchování a přeměnu energie“.

Skupina vědců ze strategické akademické jednotky (SAE) UrFU School of Natural Sciences and Mathematics, která zahrnuje Maxim Ananyev, se zabývá návrhem a vývojem nových materiálů a technologií, včetně palivových článků, elektrolytických článků, metal-grafenu. baterie, elektrochemické systémy skladování energie a superkondenzátory.

Výzkum a vědecká práce jsou prováděny ve stálé spolupráci s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie Uralské pobočky Ruské akademie věd a za podpory partnerů.

Které palivové články se v současnosti vyvíjejí a mají největší potenciál?

Jedním z nejslibnějších typů palivových článků jsou protonové keramické prvky. Mají výhody oproti polymerním palivovým článkům s membránou pro výměnu protonů a pevnými oxidovými prvky, protože mohou pracovat s přímým přívodem uhlovodíkového paliva. To výrazně zjednodušuje návrh elektrárny na bázi proton-keramických palivových článků a řídicího systému, a proto zvyšuje provozní spolehlivost. Pravda, tento typ palivových článků je v současnosti historicky méně rozvinutý, ale moderní vědecký výzkum nám umožňuje doufat ve vysoký potenciál této technologie i v budoucnu.

Jaké problémy související s palivovými články se v současnosti řeší na Uralské federální univerzitě?

Nyní vědci z UrFU spolu s Ústavem vysokoteplotní elektrochemie (IVTE) Uralské pobočky Ruské akademie věd pracují na vytvoření vysoce účinných elektrochemických zařízení a autonomních generátorů energie pro aplikace v distribuované energii. Vytvoření elektráren na distribuovanou energii zpočátku předpokládá vývoj hybridních systémů založených na generátoru elektřiny a akumulačním zařízení, což jsou baterie. Palivový článek přitom pracuje neustále, zajišťuje zátěž ve špičce a v klidovém režimu dobíjí baterii, která může sama fungovat jako rezerva jak v případě vysoké spotřeby energie, tak v případě nouzových situací.

Největších úspěchů chemiků UrFU a IVTE dosáhli ve vývoji tuhých oxidových a protonkeramických palivových článků. Od roku 2016 byla na Uralu společně se státní korporací Rosatom vytvořena první v Rusku výroba elektráren založených na palivových článcích na bázi pevných oxidů. Vývoj uralských vědců již prošel „plnohodnotnými“ testy na stanici katodické ochrany plynovodu v experimentálním místě Uraltransgaz LLC. Elektrárna o jmenovitém výkonu 1,5 kilowattu pracovala více než 10 tisíc hodin a ukázala vysoký potenciál pro použití takových zařízení.

V rámci společné laboratoře UrFU a IVTE probíhá vývoj elektrochemických zařízení na bázi protonově vodivé keramické membrány. To umožní v blízké budoucnosti snížit provozní teploty pro palivové články s pevnými oxidy z 900 na 500 stupňů Celsia a upustit od předběžné reformace uhlovodíkových paliv, a vytvořit tak cenově výhodné elektrochemické generátory schopné provozu za podmínek rozvinutá infrastruktura dodávek plynu v Rusku.

Chemické zdroje proudu (CHS) se skládají z jednoho (prvku) nebo několika (bateriových) článků galvanických prvků. Hlavními součástmi galvanického článku jsou dvě elektrody vyrobené z látek s elektronovou vodivostí, prostorově oddělených elektrolytem, ​​kapalnou nebo pevnou látkou s iontovou vodivostí. Na rozhraní elektroda/elektrolyt se objevuje potenciálový rozdíl (E) a dochází k elektrodovým (proudgenerujícím) reakcím redukce oxidačního činidla (katody) a oxidace redukčního činidla (anoda).

Teoreticky lze zdroje proudu konstruovat na základě libovolné redoxní reakce. V praxi soubor požadavků omezuje rozsah používaných látek. Výsledkem bylo prostudováno více než 500 elektrochemických systémů, které jsou perspektivní pro možné využití v chemickém inženýrství, a pouze 40–50 z nich se dostalo do fáze praktické realizace.

HIT se dělí na hlavní (na jedno použití, obvykle nazývané “baterie”), sekundární (opakovaně použitelné díky regeneraci účinných látek nabíjením) a palivové články (oxidační činidlo a redukční činidlo jsou kontinuálně přiváděny ke katodě, resp. anodě a samotný materiál elektrod se reakcí neúčastní). Sekundární zdroje proudu se nazývají baterie, pokud vydrží více než 100 cyklů nabití a vybití bez výrazného poklesu kapacity.

Nejdůležitější parametry baterií jsou: napětí (V), maximální vybíjecí proud v konstantním a pulzním režimu (v hodnotách C: síla proudu 1C, při které se plně nabitá baterie zcela vybije za 1 hodinu), kapacita (Ah nebo kWh ), měrná energie (Wh /kg), měrný výkon (W/kg), počet cyklů v závislosti na hloubce vybití, % samovybíjení za měsíc, rozsah provozních teplot, náklady na jednotku akumulované energie (kW hodina nebo Ah), vybíjecí křivky, závislost napětí na hloubce vybití při různé intenzitě proudu a teplotě.

Tabulka ukazuje charakteristiky nejběžnějších elektrochemických bateriových obvodů:

Pb-H₂SO₄
Ni-Cd
Ni-MH
lithium-iontová
Energetická hustota (Wh/kg)
Specifický výkon (W/kg)
1000 ÷ 1800
Počet cyklů
2000 ÷ 5000
Samovybíjení (% za měsíc)
Maximální konstantní proud
Rozsah teplot (°C)
Vlastnosti
nejčastější
paměťový efekt
uvolňování plynů
Nejmodernější

Z výše uvedené tabulky je vidět, že nejslibnější jsou lithium-iontové baterie. Po celém světě se nyní rychle rozvíjí výzkum a vývoj v oblasti lithium-iontových technologií, objevují se nové typy lithium-iontových baterií. V příštím desetiletí bychom měli očekávat, že lithium-iontové baterie nahradí zastaralé elektrochemické obvody z trhu, zejména pokud se podaří snížit jejich cenu.

Výhody lithia spočívají v tom, že má nejmenší elektrochemický ekvivalent (poměr hmotnosti k náboji iontu) a zároveň nejvyšší negativní potenciál ve srovnání s jinými kovy (-3,045 V vzhledem ke standardní vodíkové elektrodě). Kromě toho má lithium vlastnost interkalace do jiných materiálů, tedy pronikání do krystalové mřížky za vzniku reverzibilní chemické vazby (například v oxidech kovů).

První lithiové baterie používaly anodu vyrobenou z lithiového kovu a katodu vyrobenou z oxidů různých kovů. Bohužel se toto schéma ukázalo jako velmi nespolehlivé; baterie se pravidelně vznítily nebo explodovaly. Poskytování velkého počtu nabíjecích/vybíjecích cyklů pro lithiovou kovovou anodu se ukázalo jako problematické: při nabíjení baterie může lithiový kov, který je na anodě redukován, vytvářet dendrity (jehličkovité krystaly), které pronikají vrstvou elektrolytu a vytvářejí nebezpečí zkratu. Na fotografii jsou znázorněny tři fáze růstu dendritů během buněčného cyklu.

Ve snaze vyřešit problém cyklování lithiové kovové anody při okolních teplotách skupina výzkumníků z Oxfordu navrhla nahrazení kovového lithia matricí uhlíkových materiálů (grafit nebo koks) schopnou reverzibilně interkalovat kationty lithia do kompozice LiC6. s minimální (ne více než 10%) změnou objemu .

Tato myšlenka se ukázala jako velmi plodná. Tento typ baterie se nazývá lithium-iontová. První lithium-iontovou baterii vyvinula společnost Sony v roce 1991. Po dlouhou dobu se za standardní provedení lithium-iontových baterií považovala lithiová kobaltátová (LiCoO2) katoda a grafitová anoda.

Baterie se vyrábí ve formě válcových nebo prizmatických článků:

Pro zajištění provozní bezpečnosti používá LIB třívrstvý separátor, jehož střední vrstva tvořená polyetylenem se roztaví při teplotě 135°C a výměna iontů mezi elektrodami se zastaví. Pod krytem je také elektrický jistič, který se spustí, když tlak plynu uvnitř baterie stoupne nad povolenou mez. Na krytu baterie je nouzový ventil, který pracuje s ještě vyšším tlakem než ve vnitřním zařízení pro přerušení proudu.

Zpočátku lithium-iontové baterie nemohly odolat velkému počtu cyklů nabíjení/vybíjení kvůli degradaci materiálů elektrod v elektrolytu při protékání proudu. Naštěstí se tento problém vyřešil vývojem přísad do elektrolytů, které tvoří na elektrodách iontově vodivou ochrannou vrstvu – SEI (Solid-Electrolyte Interface). Ve všech případech však není povolena hloubka nabití/vybití 100 %. Obecně je akceptováno použití maximálně 75%-80% kapacity (5% nedobití a 15%-20% nedostatečné vybití), aby se prodloužila životnost baterie.

Použití kobaltátu lithného jako katodového materiálu způsobilo mnoho stížností souvisejících s vysokou cenou a toxicitou sloučenin kobaltu. Kobaltát také nemůže během nabíjení odevzdat více než polovinu interkalovaného lithia, po kterém začne redukce kobaltu, který tvoří dendrity, podobně jako se to stalo na lithiové kovové anodě. Dalším nebezpečím tohoto procesu je, že se při redukci kobaltu uvolňuje kyslík. Tento elektrochemický obvod bezpodmínečně vyžaduje speciální ochranu proti přebití a také kontrolu teploty článků.

Nevýhody lithium-iontových baterií na bázi kobaltátu lithného donutily vývojáře hledat pokročilejší konstrukce lithium-iontových baterií:

napětí (V)
specifická kapacita
zabezpečení
šetrnost k životnímu prostředí
Rysy
interaguje s elektrolytem
nestabilní
dielektrikum
LiCo_1/3Ni_1/3Mn_1/3O₂
nestabilní
Li (Li_aNi_xMn_yCo_z)O₂
nestabilní
Grafit (LiC₆)
interaguje s elektrolytem
trojnásobný nárůst objemu

Jak je vidět z tabulky, ideální řešení se nepodařilo najít. Lithiumferofosfát (olivín) by se zdál být zajímavým materiálem, zejména proto, že je to levný přírodní minerál, nicméně je to dielektrikum.

V roce 2003 začal profesor Yet Ming Chang z Massachusetts Institute of Technology (MIT) experimentovat se zmenšením velikosti jednotlivých částic LiFePO4 na sto nanometrů (hloubka vložení lithia do krystalové struktury LiFePO4 je 50 nm). Díky tisícinásobně zvětšené ploše aktivního povrchu a zlepšené elektrické vodivosti díky uhlíkovým nanočásticím baterie s katodou z nanostrukturovaného LiFePO4 překonaly ve výbojových proudech ty konvenční kobaltové, krystalická struktura elektrod se časem prakticky neopotřebovala počet provozních cyklů baterie vzrostl na 5000.

Testy lithiových ferofosfátových baterií prokázaly jejich vysokou spolehlivost a bezpečnost, nebojí se přebíjení a jsou schopné provozu ve velmi širokém teplotním rozsahu. Materiály, ze kterých jsou vyrobeny, jsou levné a šetrné k životnímu prostředí. Vzhledem k omezené vodivosti katodového materiálu nedochází u těchto baterií k explozi v případě vnitřního zkratu, a to ani v případě, že všechny elektrody propíchne hřebík.

Schéma nanášení granulí elektrodového materiálu (o optimální velikosti) na proudové vedení: a) v jedné vrstvě („vysoký výkon“ – pro zajištění velkého výstupního proudu – např. pro hybridní automobily); b) v několika vrstvách („vysoká kapacita“ – pro zajištění vysoké kapacity – například pro elektrickou dopravu).

Lithium-iontové zdroje energie (baterie) s vysokým napětím jsou realizovány ve formě sériového řetězce baterií, ty výkonnější mohou mít sériově paralelní zapojení. Bezpečný provoz takových baterií je nezbytně zajištěn externí elektronickou ochranou proti přebití a nadměrnému vybití jednotlivých baterií. Zahrnuje ovladače, které měří napětí každého z nich nebo bloku paralelně zapojených, a klíče pro otevření elektrického obvodu při dosažení mezí napětí. Termistory se používají ke sledování teploty baterie. Externí ochranné zařízení je obvykle umístěno na desce namontované přímo na baterii. Elektronické systémy ochrany baterií se mohou mezi výrobci výrazně lišit a přístup k této části produktu je často chráněn. BMS (Battery Management System) je nezbytnou součástí každé baterie. Často zahrnuje systém chlazení/topení. Struktura baterie pro elektromobily je znázorněna na obrázku:

V případě použití článků (Cells) o malé kapacitě jsou sestaveny do bloků (Pack), následně jsou bloky spojeny do baterie (Battery), v každém stupni další elektronické ovládací prvky a mechanické prvky tuhosti, pevnosti a chlazení jsou představeny. V případě použití vysokokapacitních článků je jejich konsolidace do baterie zpravidla mnohem jednodušší a nevyžaduje velké množství pomocných prvků.