Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου-;

Χωρητικότητα και ηλεκτροκινητική δύναμη υλικών μπαταριών ιόντων λιθίου-

Κατά τη διάρκεια της αντίδρασης φόρτισης-εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου-, μόνο τα ενεργά υλικά των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων υφίστανται αντιδράσεις παρεμβολής/απεμπλοκής ιόντων λιθίου{{2}, ενώ ο ηλεκτρολύτης και άλλα υλικά δεν καταναλώνονται. Επομένως, το δυναμικό στο οποίο τα υλικά του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου παρεμβάλλονται/αποσυμμιγνύουν αναστρέψιμα ιόντα λιθίου καθορίζει την τάση ανοιχτού{4}}κυκλώματος της μπαταρίας και η ποσότητα των ιόντων λιθίου που παρεμβάλλονται/αποσυμμιγνύονται καθορίζει την ικανότητα του ενεργού υλικού. Πολλοί παγκόσμιοι κατασκευαστές μπαταριών ιόντων λιθίου-και προμηθευτές μπαταριών-ιόντων λιθίου βασίζονται σε αυτά τα χαρακτηριστικά υλικού για να επιτύχουν σταθερή μαζική παραγωγή και σταθερή απόδοση προϊόντος.

Για το αρνητικό ηλεκτρόδιο, η αντίδραση λαμβάνει χώρα σύμφωνα με την Εξίσωση (1.2). Ανά mole άνθρακα (12 g), το μέγιστο 1/6 mol ιόντων λιθίου μπορεί να παρεμβληθεί. Επομένως, η θεωρητική ειδική χωρητικότητα του υλικού αρνητικού ηλεκτροδίου άνθρακα είναι
1/6(mol)×96485(σταθερά Faraday,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

Στην καθημερινή χρήση, λαμβάνοντας υπόψη την απώλεια λιθίου λόγω της προσρόφησης και του σχηματισμού του φιλμ ενδιάμεσης φάσης στερεού ηλεκτρολύτη (SEI), η πραγματική επιτεύξιμη ειδική χωρητικότητα των υλικών άνθρακα είναι 300–345 mA·h/g. Οι κορυφαίοι προμηθευτές συσκευασιών μπαταριών ιόντων λιθίου- επιτυγχάνουν αυτό το επίπεδο μέσω βελτιστοποιημένης σύνθεσης γραφίτη και ακριβών διαδικασιών επίστρωσης.

Για το υλικό θετικού ηλεκτροδίου, η χωρητικότητά του εξαρτάται από την ποσότητα των ιόντων λιθίου που μπορούν να εξαχθούν/εισαχθούν. Λαμβάνοντας το LiCoO2 ως παράδειγμα, έως και 1 mol ιόντων λιθίου ανά mole LiCoO2 μπορεί να συμμετέχει στην αντίδραση. Επομένως, η θεωρητική ειδική χωρητικότητα του LiCoO2 (σχετική μοριακή μάζα 97,86) είναι
1(mol)×96485 (C/mol)/97,86 (g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

Στην πράξη, για να διατηρηθεί η κρυσταλλική σταθερότητα του υλικού LiCoO2, γενικά μόνο το 30%-60% των ιόντων λιθίου συμμετέχει στην αντίδραση. Επομένως, η πραγματική ειδική χωρητικότητα του υλικού LiCoO2 είναι 137–164 mA·h/g. Οι σημαντικότεροι κατασκευαστές OEM μπαταριών ιόντων λιθίου ελέγχουν το βάθος φόρτισης και εκφόρτισης μέσω προηγμένου BMS για να μεγιστοποιήσουν τη διάρκεια ζωής του κύκλου ενώ παράλληλα διασφαλίζουν την ασφάλεια.

Για το φωσφορικό λίθιο, 1 mol ιόντων λιθίου ανά mole φωσφορικού σιδήρου λιθίου μπορεί να συμμετάσχει πλήρως στην αντίδραση. Επομένως, η θεωρητική και πραγματική ειδική χωρητικότητα του υλικού φωσφορικού σιδήρου λιθίου (σχετική μοριακή μάζα 157,8) είναι
1(mol)×96485 (C/mol)/157,8 (g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)

Στη φύση, το τυπικό δυναμικό οξειδοαναγωγής του Li/Li+ είναι το χαμηλότερο, φθάνοντας τα -3,04 V (έναντι τυπικού ηλεκτροδίου υδρογόνου). Για υλικά ηλεκτροδίων αρνητικών άνθρακα, το δυναμικό εξαγωγής και εισαγωγής ιόντων λιθίου είναι κοντά στο δυναμικό ισορροπίας Li/Li+. Σύμφωνα με την ηλεκτροχημική θεωρία, σε θερμοκρασία δωματίου, το δυναμικό ηλεκτροδίου Ε του αρνητικού ηλεκτροδίου άνθρακα είναι

E=E βαθμός + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C6)] (1,8)

όπου
Ε βαθμός - τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου.
C(Li+) - συγκέντρωση ιόντων λιθίου στο διάλυμα ηλεκτρολύτη.
C(Li,C6) - συγκέντρωση ιόντων λιθίου στον άνθρακα του αρνητικού ηλεκτροδίου.

Όταν η συγκέντρωση ιόντων λιθίου στο διάλυμα και στον άνθρακα του αρνητικού ηλεκτροδίου είναι κοντά, το δυναμικό ηλεκτροδίου του αρνητικού ηλεκτροδίου ισούται με το τυπικό δυναμικό μείωσης E βαθμού. Γενικά, η συγκέντρωση ιόντων λιθίου στον ηλεκτρολύτη είναι σταθερή, επομένως οι αλλαγές στη συγκέντρωση ιόντων λιθίου στον άνθρακα του αρνητικού ηλεκτροδίου θα προκαλέσουν αλλαγές στο δυναμικό του αρνητικού ηλεκτροδίου. Επί του παρόντος δεν υπάρχει καθολική μέθοδος για τον υπολογισμό του ακριβούς δυναμικού ισορροπίας του Li/C6 με μεταβαλλόμενες τιμές x. Γενικά προσδιορίζεται πειραματικά. Τα πειράματα δείχνουν ότι το δυναμικό απολιθίωσης των υλικών με βάση-γραφίτη κυμαίνεται γενικά μεταξύ 0-0,4 V (έναντι Li/Li⁺), καθιστώντας τα σχετικά κατάλληλα υλικά αρνητικών ηλεκτροδίων για εφαρμογές. Το Σχήμα 1.2 δείχνει την τυπική χαρακτηριστική καμπύλη{10}}φόρτισης ενός αρνητικού ηλεκτροδίου γραφίτη.

Για το θετικό ηλεκτρόδιο υλικό LiCoO2, η διαδικασία παρεμβολής/απεμπλοκής λιθίου είναι μια αντίδραση μίας- φάσης. Καθώς η συγκέντρωση ιόντων λιθίου στο υλικό του θετικού ηλεκτροδίου αλλάζει, αλλάζει και το δυναμικό του θετικού ηλεκτροδίου. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η συγκέντρωση ιόντων λιθίου στον ηλεκτρολύτη είναι 1 mol/L, για την αντίδραση στην εξίσωση (1.1), το θετικό δυναμικό ηλεκτροδίου Ε είναι

E=E βαθμός + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO2)/C(LiCoO2)] (1,9)

όπου
Ε βαθμός - τυπικό δυναμικό ηλεκτροδίου.
C(LiCoO2) - συγκέντρωση του LiCoO2 στο υλικό του θετικού ηλεκτροδίου.
C(Li+,CoO2) - συγκέντρωση Li+ και CoO2 στο υλικό του θετικού ηλεκτροδίου.
Καθώς τα ιόντα λιθίου εξάγονται, το θετικό δυναμικό του ηλεκτροδίου παρουσιάζει πτωτική τάση.

Η διαδικασία εκφόρτισης-του υλικού φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι η μετατροπή από φωσφορικό λίθιο σε φωσφορικό σίδηρο μετά την απολιθίωση.

Η αντίδραση στο ηλεκτρόδιο φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι
LiFePO4 ↔ FePO4 + Li+ + e- (1,10)

Η διαδικασία παρεμβολής/απεμπλοκής ιόντων λιθίου-είναι μια αντίδραση δύο- φάσεων. Επομένως, οι αλλαγές στη συγκέντρωση ιόντων λιθίου στο υλικό του θετικού ηλεκτροδίου δεν επηρεάζουν τη δυναμική αλλαγή του θετικού ηλεκτροδίου. Το δυναμικό ισορροπίας του είναι

E=E βαθμός + 0.02567 · ln[C(FePO4)/C(LiFePO4)] (1,11)

Η συγκέντρωση των καθαρών στερεών είναι 1. Με βάση τις θερμοδυναμικές παραμέτρους του, το θεωρητικό δυναμικό ισορροπίας είναι 3,4 V.

Η τυπική καμπύλη φόρτισης-χαρακτηριστικής εκφόρτισης του υλικού φωσφορικού σιδήρου λιθίου φαίνεται στο Σχήμα 1.3.

Χαρακτηριστικά απόδοσης των μπαταριών ιόντων λιθίου-

Σε σύγκριση με άλλες μπαταρίες, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-έχουν τα ακόλουθα χαρακτηριστικά που αναγνωρίζονται ευρέως από τους διανομείς μπαταριών ιόντων λιθίου- και τους βιομηχανικούς πελάτες:

Υψηλή ενεργειακή πυκνότητα.Η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου- φτάνει τα 100 W·h/kg και τα 200 W·h/L ή περισσότερο. Οι πρόσφατες μπαταρίες ιόντων λιθίου- τριμερούς καθόδου έχουν επιτύχει ειδική ενέργεια μάζας 200 W·h/kg. Χρησιμοποιώντας υλικά ανόδου υψηλής-με βάση το πυρίτιο-νικελίου και υλικά καθόδου πλούσια σε λίθιο{{9}, η ειδική ενέργεια μάζας αναμένεται να φτάσει τα 400 W·h/kg και η ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας 900 W·h/L, υπερβαίνοντας κατά πολύ τις παραδοσιακές μπαταρίες. Επομένως, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου{13}}χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορητά ηλεκτρονικά προϊόντα και ηλεκτρικά οχήματα.

Υψηλή τάση ανοιχτού-κυκλώματος.Λόγω της χρήσης μη-υδατικών οργανικών διαλυτών, η τάση ενός-κυττάρου φτάνει τα 3,6–3,8 V, που είναι 2–3 φορές μεγαλύτερη από αυτή των μπαταριών νικελίου-υδριδίου μετάλλου ή νικελίου-καδμίου. Η αποτελεσματική χρήση υλικών καθόδου υψηλής τάσης μπορεί να αυξήσει την τάση λειτουργίας μιας κυψέλης στα 4,5–5 V, κάτι που είναι ένας από τους σημαντικούς λόγους για την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου{{12}.

Δυνατότητα φόρτισης και αποφόρτισης-υψηλού ποσοστού.Για παράδειγμα, όλες οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-στερεάς-κατάστασης-που χρησιμοποιούν πολυμερείς ηλεκτρολύτες μπορούν να επιτύχουν ρυθμούς εκφόρτισης πάνω από 10 C με καλή ασφάλεια. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- που χρησιμοποιούν φωσφορικό σίδηρο λιθίου ως κάθοδο μπορούν να επιτύχουν εκφόρτιση 100C.

Χαμηλό ποσοστό αυτο-αποφόρτισης.Σε θερμοκρασία δωματίου, ο μηνιαίος ρυθμός αυτο{0}}αποφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου- είναι γενικά μικρότερος από 10%, χαμηλότερος από τις μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου (15%) και το μισό από αυτό των μπαταριών νικελίου-καδμίου. Ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης των μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι γενικά μικρότερος από 3%.

Φιλικό προς το περιβάλλον,δεν περιέχει μόλυβδο, κάδμιο, υδράργυρο ή άλλες επιβλαβείς ουσίες και δεν μολύνει το περιβάλλον.

Χωρίς εφέ μνήμης.Το εφέ μνήμης αναφέρεται στο φαινόμενο όπου η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται όταν επαναφορτιστεί πριν αποφορτιστεί πλήρως ή χρησιμοποιηθεί πριν φορτιστεί πλήρως (το φαινόμενο μνήμης δεν είναι μείωση της χωρητικότητας). Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου-δεν έχουν αποτέλεσμα μνήμης.

Καλή ασφάλεια.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- συνήθως χρησιμοποιούν υλικά άνθρακα ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, το οποίο έχει δυναμικό ηλεκτροδίου κοντά σε αυτό του μεταλλικού λιθίου. Τα ιόντα λιθίου μπορούν αναστρέψιμα να παρεμβάλλονται και να αποσυμπιέζονται στον άνθρακα, μειώνοντας σημαντικά την πιθανότητα εναπόθεσης μετάλλου λιθίου και βελτιώνοντας σημαντικά την ασφάλεια της μπαταρίας. Τα τελευταία χρόνια,-επιβραδυντικά φλόγας πρόσθετα,-διαχωριστές επιβραδυντικού φλόγας, συσκευές PTC (θετικός συντελεστής θερμοκρασίας), αντιεκρηκτικές{{5} βαλβίδες, συστήματα διαχείρισης μπαταριών και άλλες τεχνολογίες έχουν εξασφαλίσει εξαιρετικά υψηλή ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου-.

Μεγάλη διάρκεια ζωής κύκλου.Η διάρκεια ζωής των μπαταριών ιόντων λιθίου-είναι γενικά περισσότεροι από 500 κύκλοι. Η διάρκεια ζωής των μπαταριών φωσφορικού σιδήρου λιθίου είναι γενικά 2000–3000 κύκλοι. Όταν συνδυάζονται με συστήματα ανοδικού υλικού με υψηλή ικανότητα κύκλου (όπως τιτανικό λίθιο), μπορούν να επιτευχθούν περισσότεροι από 10.000 κύκλοι. Αυτό καθιστά τις μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου την καλύτερη επιλογή για συστήματα μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας και έργα ESS μεγάλης-κλίμακας.