«Современные химические источники тока»
ПРИЧИНЫ УСТОЙЧИВОСТИ ЛИТИЕВОГО ЭЛЕКТРОДА
Литий – высокоактивный щелочной металл. Это свойство лития особенно ярко проявляется при попытке создать его чистую поверхность. Даже следовые количества вещества извлекаются им из окружающей среды. Даже в условиях сверхвысокого вакуума литиевая поверхность, «очищенная» ионной бомбардировкой, за считанные секунды «вылавливает» молекулы остаточного газа и покрывается тончайшей пленкой из продуктов взаимодействия. Литий энергично взаимодействует не только с водой, но и с азотом (нацело):
6Li + N2 → 2Li3N
С влажными газами реакция идет с образованием LiOH и также нацело.
Более того, термодинамические расчеты показывают принципиальную возможность восстановления литием ВСЕХ мыслимых веществ, которые могли бы использоваться вместо воды в качестве растворителя, даже предельных углеводородов. Например, восстановление ПК протекает по схеме:
Для этой реакции ∆G = –820 кДж/моль. Восстановление ЭК протекает по схеме:
Для этой реакции ∆G = –484 кДж/моль.
Величины изменения энергии Гиббса ∆G реакций восстановления растворителей имеют огромные отрицательные значения. В этом отношении эти растворители ничем не отличаются от воды. В то же время сам факт промышленного выпуска литиевых элементов, способных храниться годами, указывает на то, что сохранность литиевого электрода не является проблемой.
В настоящее время твердо установлено, что устойчивость Li в контакте со многими газами и растворителями обеспечивается образованием на поверхности металла защитной пленки из нерастворимых продуктов взаимодействия. В приведенных выше реакциях – это карбонат лития Li2CO3. В различных электролитах могут, кроме того, образовываться Li2O, LiCl, LiF и некоторые другие соли лития. Защитная пленка очень тонкая (несколько нанометров или десятков нанометров) и невооруженным глазом не видна.
Требования к чистоте растворителя и солей для электролита очень высокие. Допустимое содержание примесей составляет тысячные доли процента. Такие же требования к содержанию воды в электролите, которая является здесь очень нежелательной примесью (например, допустимая концентрация воды 30 ррm = 0.003 масс. %). В контакте с такими чистыми электролитами литий может храниться десятилетиями. Для многих типов выпускаемых ЛИТ гарантированный срок хранения составляет 10 или даже 15 лет. Саморазряд при комнатной температуре находится на уровне менее 1% в год. Обязательное требование к ЛИТ – полная герметичность, чтобы не допустить поглощения влаги и других примесей из окружающей среды.
Рассмотрим некоторые электрохимические системы с литиевым анодом, дошедшие до стадии промышленного выпуска.
