Batterier

Det låter som att det handlar om ett litiumjonbatteri?

Varför valdes grafit och inte något annat som katod?

I ett litiumjonbatteri används grafit som anod/minuspol, inte katod/pluspol. Dels så är grafit elektriskt ledande, vilket är ett grundkrav för elektroderna. Dels så kan grafitens "ringstruktur" med kolatomer innesluta litiumatomer (dessa atomer är väldigt små och kan "fastna" i ringarna). Det bildas ett sorts komplex som brukar skrivas $LiC_6$ som innebär att varje litiumatom omges av en ring med sex kolatomer. Kolla upp strukturen för grafit och föreställ dig en litiumatom i hålrummet varje ring.

Varför just litiumnickeloxid? Vad kan det bytas ut till?

Man behöver en övergångsmetall som kan ha två olika oxidationstal, exempelvis nickel som kan växla mellan +2 och +3 i oxidationstal. Litiumatomerna i grafitstrukturen vid anoden avger elektroner som färdas genom den yttre kretsen till katoden, samtidigt som litiumjonerna rör sig dit genom elektrolyten. När de sedan möter katodmaterialet så reduceras nickel genom att ta upp elektronerna samtidigt som det bildas en förening med litiumjonerna, litiumnickeloxid. Två andra vanliga metaller som används är kobolt och mangan.

Varför binder inte materialet mellan katoden och anoden med litium jonerna som passeras vid uppladdning?

Om du menar elektrolyten så beror det på att den består av ett litiumsalt löst i ett organiskt lösningsmedel. Detta lösningsmedel är inert och kan inte reagera med litumatomerna eller litiumjonerna. Man hade inte kunnat använda en vattenlösning som elektrolyt eftersom vattnet då skulle reagera med litiumatomerna och bilda vätgas. Då skulle batteriet explodera.

Tack så mycket! Glömde hänvisa till videon men här är den:

https://m.youtube.com/watch?v=4-1psMHSpKs&t=936s

Dels så kan grafitens "ringstruktur" med kolatomer innesluta litiumatomer (dessa atomer är väldigt små och kan "fastna" i ringarna). Det bildas ett sorts komplex som brukar skrivas LiC6 som innebär att varje litiumatom omges av en ring med sex kolatomer.

Varför är det viktigt att grafiten kan innesluta atomerna? Kan det vara ett annat material, isådanafall vilket? Vad för egenskaper krävs med andra ord för att något ska vara en anod (förutom att den måste vara elektriskt ledande)

Man behöver en övergångsmetall som kan ha två olika oxidationstal, exempelvis nickel som kan växla mellan +2 och +3 i oxidationstal. 

Så om jag har förstått det rätt så räcker det bara att molekylerna i katoden har två olika oxidationstal som den kan växla mellan? Och detta för att den ska kunna släppa litiumjonen lätt och binda med den också? Kan katoden vara ett rent grundämne?

Curiosa fråga** Hur kommer det sig att vissa atomer kan ha höga och låga normalpotentialer? Vad är med andra ord grundförklaringen?

Varför kan man inte bara utgå från elektronegativitetsmodellen istället för redovisning modellen?

Varför är det viktigt att grafiten kan innesluta atomerna? Kan det vara ett annat material, isådanafall vilket? Vad för egenskaper krävs med andra ord för att något ska vara en anod (förutom att den måste vara elektriskt ledande)

Det är det som är det finurliga med litiumjonbatteriet. Man skulle ju kunna tänka sig att använda en bit litiummetall direkt istället. Den innehåller också litiumatomer och eftersom litium är en metall så leder den också ström. Problemet med det är att litium är lite för reaktivt, vilket gör batteriet till en säkerhetsrisk. Det är också svårt att få litiummetallen att återbildas på ett bra sätt när batteriet laddas upp igen. Det var en jättestor upptäckt när man kom på att det gick att använda grafit (egentligen petroleumkoks) på det sättet och det belönades med Nobelpriset för några år sedan. Här finns en superbra historisk beskrivning:

https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-chemistryprize2019-swedish.pdf 

Kolla speciellt in sida 5.

Så om jag har förstått det rätt så räcker det bara att molekylerna i katoden har två olika oxidationstal som den kan växla mellan? Och detta för att den ska kunna släppa litiumjonen lätt och binda med den också? Kan katoden vara ett rent grundämne?

I princip är det så det fungerar, ja. Jag känner inte till någon variant av detta batteri där man använder en ren metall som katodmaterial. Man kan såklart bygga ett batteri där man har en oädel och en ädlare metall som elektroder men det svåra är att kunna återuppladda batteriet på ett bra sätt. Sånt kräver mycket forskning för att kunna lista ut.

Curiosa fråga** Hur kommer det sig att vissa atomer kan ha höga och låga normalpotentialer? Vad är med andra ord grundförklaringen?

Det hänger ihop med hur benäget ett ämne är att ta upp eller avge elektroner. Av den anledningen har ädla metaller som silver och guld väldigt höga normalpotentialer medan oädla metaller som litium och zink har lägre potentialer. Men det i sig räcker inte för att förklara det hela. Litium har t.ex. en lägre normalpotential än cesium trots att cesium befinner sig mycket längre ner i periodiska systemet och därför borde ha lättare att avge elektroner. Att det är så beror på att litiumjonerna som bildas binder mycket starkare till vattenmolekylerna än vad cesiumjonerna gör. Totalt sett frigörs alltså mer energi vid oxidation av litium än vid oxidation av cesium. Nyckeln här är alltså vattnet, för man jämför ju redoxparen Li⁺(aq)/Li(s) och Cs⁺(aq)/Cs(s). Man kan inte bara titta på reaktanternas reaktivitet utan även på produkternas stabilitet.

Varför kan man inte bara utgå från elektronegativitetsmodellen istället för redovisning modellen?

Vad menar du med redovisningsmodellen?

Tack för den här tråden! Jätteintressant,  detta har hänt efter att jag läste kemi.

Jag förstår!

**Menade redox- modellen, alltså den som visar hur oxiderande och reducerande ett ämne kan vara.

Krävs det med andra ord att anoden är kapabel att behålla atomerna som ligger till grund för batteriets funktion (i detta fall litiumet)? Och att det möjligtvis inte får bestå för mycket av ämnet för då finns det säkerhetsrisker eller kortslutningsrisker. Men på vilket sätt kan en atom inneslutas utan att reagera? I grafit fallet handlade det om att den har "hexagonhål" som litiumet får plats i men vad är den egentliga anledningen? Vill nämligen kunna ge en så generell förklaring till anoden som möjligt. 

katoden i exemplet innehåller litiumnickeloxid, Vad behövs syret/oxiden för?

Hur fungerar skicktet som separerar anoden och katoden?

När ett batteri laddas, vad är det då som sker? Vilken faktor tvingar litium atomerna att lämna katoden?

Vad sker när man laddar samtidigt som man använder batteriet? Står elektronerna still (pågrund av att de trycks från båda hållen)?

Vad är det som gör att batteriets kvalité minskar allteftersom?

krävs det inte mycket energi för att ge tillbaka litiumjonens elektron då den har nått ädelgasstruktur?

För att förbättra batterier behöver man energitätare material. Kan då molekyler vara mer oxiderande eller reducerande än vanliga grundämnen?

Gör det skillnad om elektroderna står långt bort från varandra? 

Tack i förhand!

Det där är alldeles för många frågor, du får välja ut någon fråga och ställa följdfrågor sen.

Det kanske det var men då kör vi med första:

Varför kan man inte bara utgå från elektronegativitetsmodellen istället för redox modellen för att exempelvis bestämma elektroder i ett batteri?

Vad menar du med redoxmodellen?

Ber om ursäkt menade Normalpotential tabellen.

Som jag skrev i mitt tidigare inlägg så beror det på att man även måste ta hänsyn till produkten som bildas. Elektronegativitet tar bara hänsyn till hur lätt en elektron kan ta upp/avge elektroner. Normalpotentialen tar hänsyn till fler saker, exempelvis hur mycket energi som frigörs när jonen som bildas binder till vatten. Litiumjonen är t.ex. väldigt liten och har en ganska koncentrerad positiv laddning. Det gör att den lätt attraherar vattenmolekyler som gärna vill binda till litiumjonen.

Jag förstår, om man dock bara ska välja elektroderna kanske det räcker med att kolla på elektronegativitetsmodellen. 

Min andra fråga är då:

Krävs det då med andra ord bara att anoden i batterier är kapabla att behålla atomerna som ligger till grund för batteriets funktion (i detta fall litiumet)? Och att det möjligtvis inte får bestå för mycket av ämnet för då finns det säkerhetsrisker eller kortslutningsrisker. Men på vilket sätt kan en atom inneslutas utan att reagera? I grafit fallet handlade det om att den har "hexagonhål" som litiumet får plats i men vad är den egentliga anledningen? Vill nämligen kunna ge en så generell förklaring till anoden som möjligt. 

Jag förstår, om man dock bara ska välja elektroderna kanske det räcker med att kolla på elektronegativitetsmodellen. 

Nej det räcker inte.

Krävs det då med andra ord bara att anoden i batterier är kapabla att behålla atomerna som ligger till grund för batteriets funktion (i detta fall litiumet)? Och att det möjligtvis inte får bestå för mycket av ämnet för då finns det säkerhetsrisker eller kortslutningsrisker. Men på vilket sätt kan en atom inneslutas utan att reagera? I grafit fallet handlade det om att den har "hexagonhål" som litiumet får plats i men vad är den egentliga anledningen? Vill nämligen kunna ge en så generell förklaring till anoden som möjligt. 

Att en anod av ren litium är en säkerhetsrisk beror på att ett sådant lättare kortsluts, exempelvis om man råkar tappa batteriet i golvet eller om det på något sött skulle deformeras. Om du läser texten i länken jag postade tidigare så står det beskrivet mer i detalj varför en anod av ren litium inte fungerar. Det är dock inte generellt så att man inte kan använda en ren metall, utan det finns många exempel på batterier där man använder det. Men det gör man inte i ett litiumjonbatteri.

Att litiumatomer kan bindas till grafit är ett exempel på ett fenomen som kallas interkalering. Här kan du läsa mer om det:

https://en.wikipedia.org/wiki/Intercalation_(chemistry) 

ok men vad gör det möjligt för grafiten att inte reagera med litiumet?

och tredje frågan: katoden i exemplet innehåller litiumnickeloxid, Vad behövs syret/oxiden för? varför kan det med andra ord inte bara vara nickel i katoden?

Du kan se anoden som en sorts kemisk förening mellan litium och grafitens kolatomer.

Nickel är ju i jonform, så det måste finnas någon sorts motjoner. I detta fall är det oxidjoner. Men som det stod i länken jag skickade tidigare så har man tidigare använd en sulfidförening istället så det måste inte nödvändigtvis vara en oxid.