Номер 215, страница 324 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.215. Какими преимуществами обладают литийионные аккумуляторы перед свинцовыми? Каковы их недостатки?

Преимущества литий-ионных аккумуляторов перед свинцовыми

• Более высокая удельная энергоемкость. Литий-ионные аккумуляторы способны запасать значительно больше энергии на единицу массы и объема. Например, удельная энергоемкость литий-ионных аккумуляторов составляет 100–265 Вт·ч/кг, в то время как у свинцово-кислотных — всего 30–50 Вт·ч/кг. Это делает их гораздо легче и компактнее при той же емкости, что критически важно для портативной электроники и электромобилей.
• Более высокий КПД (эффективность). Эффективность цикла «заряд-разряд» у литий-ионных аккумуляторов достигает 95-98%, тогда как у свинцовых она обычно находится в диапазоне 70-85%. Это означает, что меньше энергии теряется в виде тепла.
• Более длительный срок службы. Литий-ионные аккумуляторы выдерживают значительно большее количество циклов заряда-разряда. В зависимости от типа химии, этот показатель может составлять от 1000 до 5000 и более циклов, в то время как для свинцовых аккумуляторов он редко превышает 300–1000 циклов.
• Низкий саморазряд. При хранении литий-ионные аккумуляторы теряют всего 1.5–3% заряда в месяц, в то время как свинцовые — до 5-10% в месяц.
• Отсутствие «эффекта памяти». Их можно заряжать и разряжать при любом уровне заряда без снижения емкости. Свинцовые аккумуляторы, в свою очередь, подвержены сульфатации при неполном заряде, что снижает их емкость и срок службы.
• Более высокое напряжение на элемент. Один элемент литий-ионного аккумулятора имеет напряжение около $3.2-3.7$ В, в то время как у свинцового элемента — около $2.1$ В. Это позволяет собирать батареи нужного напряжения из меньшего количества элементов.
• Не требуют обслуживания. Большинство литий-ионных аккумуляторов герметичны и не требуют доливки дистиллированной воды или другого обслуживания, в отличие от обслуживаемых свинцово-кислотных аккумуляторов.

Ответ: Основные преимущества литий-ионных аккумуляторов перед свинцовыми — это более высокая удельная энергоемкость (они легче и компактнее), более длительный срок службы, высокий КПД, низкий саморазряд и отсутствие необходимости в обслуживании.

Недостатки литий-ионных аккумуляторов

• Высокая стоимость. Производство литий-ионных аккумуляторов значительно дороже из-за стоимости сырья (литий, кобальт, никель) и более сложной технологии изготовления. Свинцовые аккумуляторы являются одной из самых дешевых технологий хранения энергии.
• Требования к безопасности. Литий-ионные аккумуляторы содержат легковоспламеняющийся органический электролит. При повреждении, перезаряде или перегреве они могут воспламениться или взорваться (процесс «теплового разгона»). Поэтому они обязательно требуют наличия сложной электронной системы управления (BMS — Battery Management System) для контроля напряжения, тока и температуры. Свинцовые аккумуляторы в этом плане более безопасны, хотя и могут выделять взрывоопасный водород при зарядке.
• Чувствительность к условиям эксплуатации. Они чувствительны к глубокому разряду (ниже определенного порога), который может необратимо повредить аккумулятор. Также они плохо переносят зарядку при отрицательных температурах (ниже $0^\circ \text{C}$), что может привести к осаждению металлического лития на аноде и, как следствие, к снижению емкости и риску короткого замыкания.
• Процесс старения. Литий-ионные аккумуляторы стареют (теряют емкость) не только от циклов заряда-разряда, но и просто со временем (календарное старение). Процесс ускоряется при высоких температурах и при хранении в полностью заряженном состоянии.
• Сложность утилизации и экологические проблемы. Переработка литий-ионных аккумуляторов — сложный и дорогостоящий процесс. Добыча лития и кобальта наносит вред окружающей среде и связана с этическими проблемами. Свинцовые аккумуляторы, напротив, имеют одну из самых отлаженных систем переработки в мире (до 99% свинца из старых батарей используется повторно).

Ответ: Главные недостатки литий-ионных аккумуляторов — это их высокая стоимость, повышенные требования к безопасности (риск возгорания), чувствительность к неправильной эксплуатации (глубокий разряд, зарядка на морозе) и проблемы, связанные с утилизацией и экологичностью добычи сырья.