Вовед во литиум-јонски батерии
Принцип на работа на литиум-јонски батерии
Литиум-јонската батерија главно се состои од позитивна електрода, негативна електрода, електролит што спроведува литиумски јони исепаратори обвивка што ги раздвојува позитивните и негативните електроди. Материјалот на позитивната електрода е генерално соединение кое овозможува реверзибилно вметнување и екстракција на јони на литиум, како што се литиум кобалт оксид (LiCoO2), литиум никел оксид (LiNiO2), литиум манган оксид (LiMn2O4) или тројни материјали (LiCoₓNiᵧMn1₋2ₓ₋ᵧO2). Електролитот е составен од соли на литиум (вообичаените литиумски соли вклучуваат LiClO4, LiPF6, LiBF4, LiBOB итн.) растворени во специфичен растворувач (главно мешавина од етилен карбонат (EC), диетил карбонат (DEC), диметил карбонат (ДМЦ, пропорилен карбонат, одреден пропорции C). Материјалот на сепараторот е генерално полиолефинска смола, која најчесто се користи еднослојни или повеќеслојни полипропиленски (PP) и полиетиленски (PE) мембрани, како што е сепараторот Celgard 2300. Негативната електрода обично користи материјали способни за интеркалација на литиум, како што се нафтениот кокс, чист графит и слоевит графит мешан јаглерод. Реакцијата во литиум{10}}јонска батерија со користење на јаглерод (C6) како негативна електрода и оксид на преодниот метал LiMeO2 како позитивна електрода е следна.
За време на полнењето:
За време на испуштањето:
За време на полнењето, јоните на литиум се ослободуваат од позитивната електрода и се вметнуваат во негативната електрода; за време на празнењето, јоните на литиум се ослободуваат од негативната електрода и се вметнуваат во позитивната електрода. Со други зборови, за време на полнењето и празнењето, јоните на литиум се движат напред-назад помеѓу позитивните и негативните електроди, слично како стол-лулка. Затоа, литиум-јонските батерии се нарекуваат и „батерии за столче за лулка“. Нивниот принцип на работа може да се илустрира на Слика 1.1.
Во нормални услови на полнење и празнење, вметнувањето и екстракцијата на јони на литиум помеѓу слоевит јаглеродни материјали и честички од оксид или помеѓу слоевите во литиум-јонските батерии генерално предизвикува само промени во меѓуслојното растојание и не ја оштетува кристалната структура. За време на полнење и празнење, хемиските структури на позитивните и негативните електроди материјали остануваат суштински непроменети. Затоа, од гледна точка на реверзибилноста на реакцијата на празнење-на полнеж, вметнувањето и екстракцијата на јони на литиум во материјалите на батеријата е идеален процес на реакција. Врз основа на овие карактеристики, литиум-јонските батерии се супериорни во перформансите во однос на батериите од никел-кадмиум и никел-металхидрид.
Класификација на литиум{0}}јонска батерија
Литиумските-јонски батерии може да се класифицираат според употребениот катоден материјал, изгледот и големината, методот на производство на ќелии, типот на пакување и карактеристиките на апликацијата.
Врз основа на употребениот катоден материјал, литиум-јонските батерии можат да се поделат на батерии со литиум кобалт оксид, батерии со литиум манган оксид, трини литиумски батерии и батерии со литиум железо фосфат.
Батериите со литиум кобалт оксид имаат номинален напон од 3,7 V и опсег на работен напон од 2,4 ~ 4,2 V. Батериите со литиум кобалт оксид имаат стабилна структура, висок специфичен капацитет и извонредни вкупни перформанси, но нивната безбедност е слаба и нивната цена е висока, главно се користи во ќелии со мала и средна големина-. Во последниве години, развиени се високо-литиум кобалт оксид материјали со висок напон, што може да го зголеми горниот граничен напон на батеријата на 4,3 V или 4,35 V, а со тоа ефикасно да го подобри капацитетот на батеријата и густината на енергијата. Во моментов, батериите со литиум кобалт оксид имаат најголема волуметриска густина на енергија, достигнувајќи 550 Wh/kg, што ги прави единствен избор за напојување на високо{11}}мобилни телефони и други електронски производи.
Батериите со литиум манган оксид (MMANO) имаат номинален напон од 3,8 V и опсег на работен напон од 2,5 V до 4,2 V. Заштитниот напон од преполнување е 4,28 V ± 0,025 V, а напонот за заштита од преку{6}}празнење е 2,5 V ± 0,1 V. Батериите MMANO се ниски{10}}и имаат добра безбедност. Сепак, самиот материјал од литиум манган оксид е релативно нестабилен и склон кон распаѓање, произведувајќи гас и оток. Неговиот циклус се распаѓа релативно брзо, неговиот животен век е релативно краток, а високите{13}}температурни перформанси се слаби. Главно се користи во ќелии со ниска-средна{16}}средна до{17}}-големина-за производство на батерии за напојување.
Троичните литиум{0}}јонски (TLC) батерии имаат номинален напон од 3,6V и опсег на работен напон од 2,75V до 4,2V. Заштитниот напон од преполнување е 4,28 V ± 0,025 V, а напонот за заштита од преку{7}}празнење е 2,75 V ± 0,1 V. TLC батериите имаат добри вкупни перформанси, се поевтини од литиум кобалт оксид (LCO) и нудат подобрена безбедност. Тие можат да се користат во енергетски батерии, а нивниот пазарен удел на пазарот на катодни материјали се зголемува од година во година. Малите литиум{13}}јонски батерии што користат тројни литиум-јонски материјали постепено се прифаќаат од пазарот. Троичните материјали може да се мешаат и со литиум кобалт оксид и литиум манган оксид за употреба во челична-кутија, алуминиум-, торбичка, полимерна и цилиндрични литиум-јонски батерии, што може значително да ги намали трошоците на батериите и да ги подобри вкупните перформанси. Во моментов, батериите со тројни материјали можат да постигнат енергетска густина од 180 Wh/kg (26650 челични-батерии можат да достигнат капацитет од 4600 mAh/kg со тежина од 90 g), нудејќи очигледна предност во трошковната{25}}ефективност.
Батериите со литиум железо фосфат (LFP) имаат номинален напон од 3,2V и опсег на работен напон од 2,5-3,75V. Напонот за заштита од преполнување е 3,75V±0,025V, а напонот за заштита од преку{6}}празнење е 2,5V±0,1V. Најголемата предност на батериите LFP е стабилноста и не{10}}распаѓањето на материјалот на позитивната електрода, што им дава неспоредлива безбедност во споредба со другите системи за материјали со позитивни електроди. LFP батериите имаат долг животен век, изобилуваат со ресурси и се еколошки. Сепак, тие имаат ниска платформа за празнење и слаби перформанси со ниска{13}}температура.
Врз основа на изгледот и големината, литиум{0}}јонските батерии можат да се поделат на цилиндрични батерии и призматични батерии итн.
Врз основа на методот на производство на ќелии, литиум-јонските батерии може да се поделат на ранети батерии (цилиндрична рана и рамна рана), наредени батерии итн.
Врз основа на типот на материјалот на пакувањето, литиумските-јонски батерии можат да се поделат на челични-батерии со куќиште, алуминиумски-батерии со куќиште, батерии од пластична-обвивка, меки-батерии итн.
Врз основа на карактеристиките на апликацијата, литиум-јонските батерии можат да се поделат на батерии со висока-температура, батерии со ниска-температура, батерии за напојување и батерии со капацитет итн.
Врз основа на нивните области на примена, литиум-јонските батерии може да се класифицираат како: резервни батерии, батерии за напојување и батерии за складирање енергија.
Апликации на литиум-јонски батерии
Може да се каже дека од пронаоѓањето на батеријата, ниту еден друг производ за батерии не се користел толку брзо и широко како литиум-јонската батерија. Од часовното напојување за компјутерските процесори до големите литиум-јонски батерии што се користат во автомобили и подморници, разликата во капацитетот е повеќе од 10 милиони пати. Тие имаат широка примена во секојдневниот живот, медицинската опрема, електричните возила, централите за складирање енергија, воздушната и војската.
По повеќе од 10 години популаризација, литиум-јонските батерии станаа единствениот систем за напојување што широко се користи во дигиталните производи како што се мобилните телефони и лаптопите. Поради нивната висока специфична енергија, тие се исто така широко користени во електрични алати, електрични велосипеди, електрични автобуси, електрани за складирање на ветер и сончева енергија, базни станици за мобилни комуникации, напојувања за рударски светилки, напојувања за капсули за спасување рударски, напојувања за воени индивидуални војници, радија, сателитски батерии и многу други апликации. Според статистичките податоци, во 2011 година, големината на пазарот на кинеската индустрија за литиумски батерии достигна 39,7 милијарди јуани, годишно-за-годишно зголемување од 43%, а годишното производство на литиумски батерии достигна 2,97 милијарди единици, годишно-на{{11}годишно зголемување од 6%. Индустријата за литиумски батерии стана важна индустриска насока на националната економија²¹.
