Li-ion-batteri, elektrolyse av litiumklorid og dimetylkarbonat

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Li-ion-batterier brukes i dag der det kreves høy energitetthet og lav vekt. Batteriene er oppladbare, noe som gjør dem egnet til alt fra droner og batteriverktøy til elektriske biler.

Litiummetall kan framstilles ved elektrolyse av smeltet litiumklorid, $L i C l (l)$ .

Figur 1 viser elektrolysekaret.

Figur 1: Elektrolysekar med smeltet litiumklorid, elektrode A og elektrode B koblet til spenningskilde, med elektronstrøm mot elektrode A

For hånd

Forklar at det blir dannet litiummetall ved elektrode A.
Skriv likningen for reaksjonen som skjer ved elektrode B. b) I motsetning til de fleste andre stoffer reagerer litiummetall med karbondioksid, $C O_{2} (g)$ . Da blir det dannet sot, $C (s)$ , og litiumoksid, $L i_{2} O (s)$ . Bruk oksidasjonstall, og skriv den balanserte reaksjonslikningen for denne reaksjonen.

Dimetylkarbonat er et vanlig løsemiddel i elektrolytten for Li-ion-batterier, se figur 2.

Figur 2: Strukturformel for dimetylkarbonat

Dimetylkarbonat brytes ned til metanol og $C O_{2}$ .

For hånd

Hva slags organisk reaksjonstype er dette?
Hvordan ville du på skolelaboratoriet påvise et av disse nedbrytningsproduktene?

Det er en rivende utvikling av nye varianter av Li-ion-batterier, og mye av forskningen dreier seg om nye varianter av elektrodemateriale. I de fleste batteriene består den ene elektroden av ren grafitt (karbon).

Figur 3 viser oppbygging av et Li-ion-batteri. Elektrodematerialet er grafitt (karbon) og koboltoksid. Litiumatomer (Li) og litiumioner ( $L i^{+}$ ) absorberes inne i elektrodematerialet.

Figur 3: Li-ion-batteri med elektrode A av grafitt, separator og elektrode B av koboltoksid, der litiumioner vandrer gjennom elektrolytten mot elektrode B

Halvreaksjonene i Li-ion-batteriet i figur 3 kan skrives slik (som reduksjoner):

\begin{matrix} C o O_{2} + L i^{+} + e^{-} & \to L i C o O_{2} & E^{\circ} & = + 1 V \\ L i^{+} + C_{6} + e^{-} & \to L i C_{6} & E^{\circ} & = - 3 V \end{matrix}

Litiumioner beveger seg i cellen.

For hånd

Bruk informasjonen i figur 3 og forklar om batteriet leverer strøm, eller om det blir ladet opp.

Et sylindrisk Li-ion-batteri har dataene gitt i tabell 1.

Tabell 1: 2170 Li-ion-batteri

Egenskap	Verdi
høyde	$70 m m$
diameter	$21 m m$
volum	$24,25 m L$
spenning	$3,60 V$
masse	$70,00 g$
kapasitet	$4,80 A h$

Foto av et sylindrisk Li-ion-batteri

Kalkulator

Regn ut massen til litium i dette batteriet.
Angi hvor stor prosent av massen til batteriet som er litium.

Fasit

Elektronene går inn i elektrode A, som er katode, og $L i^{+}$ reduseres til Li. Ved B: $2 C l^{-} (l) \to C l_{2} (g) + 2 e^{-}$

$4 L i (s) + C O_{2} (g) \to 2 L i_{2} O (s) + C (s)$

Hydrolyse. $C O_{2}$ påvises med kalkvann, som blir grumsete.

$L i^{+}$ vandrer fra grafitt (A) til koboltoksid (B). Det er den spontane retningen, så batteriet leverer strøm.

$m (Li) = 1,24 g$ og $1,78 %$ av massen

LøsningsforslagKI-generert

Pilene i figuren viser at elektronene går fra spenningskilden inn i elektrode A. Elektrode A er derfor negativ og er katoden. De positive litiumionene i smelten trekkes mot A og tar opp elektroner der. De reduseres til litiummetall:

L i^{+} (l) + e^{-} \to L i (l)

Litium er flytende ved temperaturen i smelten.

Elektrode B er anoden. Der avgir kloridionene elektroner og oksideres til klorgass:

2 C l^{-} (l) \to C l_{2} (g) + 2 e^{-}

Oksidasjonstallene er:

Li: fra $0$ i $Li$ til $+ 1$ i $L i_{2} O$ . Økning på $1$ .
C: fra $+ 4$ i $C O_{2}$ til $0$ i $C$ . Reduksjon på $4$ .
O: $- 2$ på begge sider.

Økningen og reduksjonen må være like store. Da trengs 4 Li per C:

4 L i + C O_{2} \to L i_{2} O + C

Vi balanserer Li og O med koeffisienten 2 foran $L i_{2} O$ :

4 L i (s) + C O_{2} (g) \to 2 L i_{2} O (s) + C (s)

Kontroll: 4 Li, 1 C og 2 O på begge sider.

Dimetylkarbonat er en ester av karbonsyre. Produktene inneholder til sammen ett O og to H mer enn dimetylkarbonat, så vann må være med i reaksjonen:

C H_{3} O C O O C H_{3} + H_{2} O \to 2 C H_{3} O H + C O_{2}

Et molekyl spaltes ved at det reagerer med vann. Reaksjonstypen er hydrolyse (esterhydrolyse). Den er den omvendte av en kondensasjonsreaksjon.

$C O_{2}$ kan påvises med kalkvann, $C a {(O H)}_{2} (a q)$ . Vi leder gassen gjennom kalkvannet. Løsningen blir grumsete fordi det felles ut kalsiumkarbonat:

C a^{2 +} (a q) + 2 O H^{-} (a q) + C O_{2} (g) \to C a C O_{3} (s) + H_{2} O (l)

Metanol kan også påvises. Metanol er en primær alkohol og oksideres av surgjort dikromatløsning. Fargen skifter da fra oransje til grønn.

Figuren viser at litiumionene vandrer fra elektrode A (grafitt) mot elektrode B (koboltoksid).

Ved elektrode B tar $L i^{+}$ opp elektroner, og $C o O_{2}$ reduseres:

C o O_{2} + L i^{+} + e^{-} \to L i C o O_{2}

Ved elektrode A frigjøres $L i^{+}$ fra grafitten, og litium oksideres:

L i C_{6} \to L i^{+} + C_{6} + e^{-}

Elektronene går gjennom den ytre kretsen fra A til B. B er katode og A er anode. Cellepotensialet i denne retningen er

E^{\circ} (celle) = E^{\circ} (katode) - E^{\circ} (anode) = + 1 V - (- 3 V) = + 4 V

Cellepotensialet er positivt, så reaksjonen er spontan. Batteriet leverer strøm. Ved opplading går reaksjonene motsatt vei, og $L i^{+}$ vandrer tilbake inn i grafitten.

Kapasiteten $4,80 A h$ er ladningen batteriet kan levere. Vi regner om til coulomb med $1 h = 3600 s$ :

Q = 4,80 A \cdot 3600 s = 17 280 C

Med $F = 96485 C / m o l$ fra vedlegget:

n (e^{-}) = \frac{Q}{F} = \frac{17 280 C}{96485 C / m o l} = 0,1791 m o l

Hvert litiumatom gir ett elektron ( $L i \to L i^{+} + e^{-}$ ), så $n (Li) = n (e^{-})$ . Molar masse for litium er $6,94 g / m o l$ .

m (Li) = 0,1791 m o l \cdot 6,94 g / m o l = 1,24 g

masseprosent Li = \frac{1,243 g}{70,00 g} \cdot 100 % = 1,78 %

Vi har antatt at all litium i batteriet vandrer mellom elektrodene når batteriet lades ut helt. Svaret er derfor den minste massen litium batteriet må inneholde.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2020. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 V2020, del 2, oppgave 5
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 2
Vanskegrad: 2
Temaer: Elektrolyse, Galvaniske celler, Oksidasjonstall, Organisk kjemi, Støkiometri

Li-ion-batteri, elektrolyse av litiumklorid og dimetylkarbonat

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Li-ion-batteri, elektrolyse av litiumklorid og dimetylkarbonat

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Li-ion-batteri, elektrolyse av litiumklorid og dimetylkarbonat

Li-ion-batteri, elektrolyse av litiumklorid og dimetylkarbonat

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer