Кои се карактеристиките на литиум-јонските батерии?
Капацитет и електромоторна сила на материјали од литиум{0}}јонски батерии
За време на полнењето-реакцијата на празнење на литиум-јонските батерии, само активните материјали на позитивните и негативните електроди се подложени на реакции на литиум-јонска интеркалација/деинтеркалација, додека електролитот и другите материјали не се трошат. Затоа, потенцијалот при кој материјалите на позитивните и негативните електроди реверзибилно се интеркалираат/деинтеркалираат јони на литиум го одредува напонот на отвореното{4}коло на батеријата, а количината на литиумските јони кои се интеркалираат/деинтеркалираат го одредува капацитетот на активниот материјал. Многу светски производители на литиум-јонски батерии и добавувачи на литиум-јонски батерии се потпираат на овие карактеристики на материјалот за да постигнат стабилно масовно производство и постојани перформанси на производот.
За негативната електрода, реакцијата се јавува според Равенката (1.2). По мол јаглерод (12 g), може да се интеркалираат максимум 1/6 мол литиум јони. Затоа, теоретскиот специфичен капацитет на јаглерод-негативниот електрода материјал е
1/6 (mol)×96485 (Фарадеев константа, C/mol)/12 (g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
При секојдневна употреба, со оглед на загубата на литиум поради адсорпција и формирањето на цврстиот електролит интерфазен филм (SEI), вистинскиот остварлив специфичен капацитет на јаглеродните материјали е 300–345 mA·h/g. Водечките добавувачи на литиум-јонски батерии го постигнуваат ова ниво преку оптимизирана формулација на графит и прецизни процеси на обложување.
За материјалот на позитивната електрода, неговиот капацитет зависи од количината на литиум јони што може да се извлечат/вметнат. Земајќи го LiCoO2 како пример, до 1 mol литиум јони на мол LiCoO2 може да учествуваат во реакцијата. Затоа, теоретскиот специфичен капацитет на LiCoO2 (релативна молекуларна маса 97,86) е
1(mol)×96485 (C/mol)/97,86 (g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
Во пракса, за да се одржи кристалната стабилност на материјалот LiCoO2, обично само 30%-60% од јоните на литиум учествуваат во реакцијата. Затоа, вистинскиот специфичен капацитет на материјалот LiCoO2 е 137-164 mA·h/g. Главните производители на OEM на литиум{6}}јонски батерии ја контролираат длабочината на полнењето и празнењето преку напредниот BMS за да го максимизираат животниот век на циклусот, истовремено обезбедувајќи безбедност.
За литиум железо фосфат, 1 mol литиум јони по мол литиум железо фосфат може целосно да учествува во реакцијата. Затоа, теоретскиот и вистинскиот специфичен капацитет на материјалот од литиум железо фосфат (релативна молекуларна маса 157,8) е
1 (mol)×96485 (C/mol)/157,8 (g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
Во природата, стандардниот редокс потенцијал на Li/Li⁺ е најмал, достигнувајќи -3,04 V (наспроти стандардната водородна електрода). За јаглеродни негативни електроди, потенцијалот на екстракција и вметнување на литиум-јони е во близина на потенцијалот за рамнотежа Li/Li⁺. Според електрохемиската теорија, на собна температура, електродниот потенцијал Е на јаглерод-негативната електрода е
E=Е степен + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C6)] (1,8)
каде
Е степен - стандарден електроден потенцијал;
C(Li⁺) - концентрација на јони на литиум во растворот на електролитот;
C(Li,C6) - концентрација на јони на литиум во негативната електрода јаглерод.
Кога концентрацијата на литиум јони во растворот и јаглеродот во негативната електрода се блиски, електродниот потенцијал на негативната електрода е еднаков на стандардниот редуцирачки потенцијал E степен. Општо земено, концентрацијата на литиум јони во електролитот е фиксирана, така што промените во концентрацијата на литиум јони во јаглеродот на негативната електрода ќе предизвикаат промени во потенцијалот на негативната електрода. Во моментов не постои универзален метод за пресметување на точниот потенцијал за рамнотежа на Li/C6 со променливи x вредности. Генерално се определува експериментално. Експериментите покажуваат дека потенцијалот на делитијација на материјалите базирани на графит{4}}обично варира помеѓу 0-0,4 V (наспроти Li/Li⁺), што ги прави релативно соодветни материјали за негативни електроди за примена. Слика 1.2 ја прикажува типичната{10}}карактеристична крива на празнење на полнеж на графитна негативна електрода.
За LiCoO2 позитивна електрода, процесот на интеркалација/деинтеркалација на литиум е еднофазна- реакција. Како што се менува концентрацијата на литиум јони во материјалот на позитивната електрода, се менува и потенцијалот на позитивната електрода. Со оглед на концентрацијата на литиум јони во електролитот е 1 mol/L, за реакцијата во равенката (1.1), позитивниот електроден потенцијал Е е
E=Е степен + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO2)/C(LiCoO2)] (1,9)
каде
Е степен - стандарден електроден потенцијал;
C(LiCoO2) - концентрација на LiCoO2 во материјалот на позитивната електрода;
C(Li⁺,CoO2) - концентрација на Li+ и CoO2 во материјалот на позитивната електрода;
Како што се извлекуваат јони на литиум, позитивниот електроден потенцијал покажува надолен тренд.
Процесот на полнење-на празнење на материјалот од литиум железо фосфат е конверзија од литиум железо фосфат во железен фосфат по делитијата.
Реакцијата на електродата на литиум железо фосфат е
LiFePO4 ↔ FePO4 + Li+ + e- (1,10)
Нејзиниот процес на интеркалација/деинтеркалација на литиум-јони е двофазна- реакција. Затоа, промените во концентрацијата на литиум јони во материјалот на позитивната електрода не влијаат на потенцијалната промена на позитивната електрода. Неговиот рамнотежен потенцијал е
E=Е степен + 0.02567 · ln[C(FePO4)/C(LiFePO4)] (1.11)
Концентрацијата на чистите цврсти материи е 1. Врз основа на неговите термодинамички параметри, теоретскиот рамнотежен потенцијал е 3,4 V.
Типичната крива на полнење{0}}карактеристична празнење на материјалот од литиум железо фосфат е прикажана на слика 1.3.
Карактеристики на изведба на литиум-јонските батерии
Во споредба со другите батерии, литиум-јонските батерии ги имаат следните карактеристики кои се широко препознаени од дистрибутерите на литиум-јонски батерии и индустриските клиенти:
Висока енергетска густина.Густината на енергијата на литиум-јонските батерии достигнува 100 W·h/kg и 200 W·h/L или повеќе. Неодамнешните тројни катодни литиум{4}}јонски батерии постигнаа масовна специфична енергија од 200 W·h/kg. Користејќи анодни материјали базирани на висок-никел силикон- и катодни материјали богати со литиум, специфичната енергија на масата се очекува да достигне 400 W·h/kg и волуметриската густина на енергија 900 W·h/L, што е далеку повеќе од традиционалните батерии. Затоа, литиум{13}}јонските батерии се широко користени во преносливи електронски производи и електрични возила.
Висок напон на отворено-коло.Поради употребата на не-водени органски растворувачи, напонот на една-клетка достигнува 3,6–3,8 V, што е 2–3 пати повеќе од никел-металхидрид или никел-батерии од кадмиум. Ефективното користење на високо-катодни материјали може да го зголеми работниот напон на една ќелија на 4,5–5 V, што е една од важните причини за високата енергетска густина на литиум-јонските батерии.
Способни за полнење и празнење со висока-стапка.На пример, сите-цврсти-литиум-јонски батерии кои користат полимерни електролити можат да постигнат стапки на празнење над 10 C со добра безбедност; литиум-јонските батерии кои користат литиум железо фосфат како катода можат да постигнат празнење до 100C.
Ниска стапка на само-празнење.На собна температура, месечната-стапка на само-празнење на литиум-јонските батерии е генерално помала од 10%, пониска од батериите со никел-металхидрид (15%) и половина од онаа на никел-кадмиумските батерии. Стапката на само-празнење на батериите со литиум железо фосфат е генерално помала од 3%.
Еколошки,не содржи олово, кадмиум, жива или други штетни материи и не ја загадува животната средина.
Нема мемориски ефект.Ефектот на меморијата се однесува на феноменот каде што капацитетот на батеријата се намалува кога се полни пред целосно да се испразни или да се користи пред целосно да се наполни (ефектот на меморијата не е распаѓање на капацитетот). Литиум-јонските батерии немаат мемориски ефект.
Добра безбедност.Литиум-јонските батерии обично користат јаглеродни материјали како негативна електрода, која има електроден потенцијал близок до оној на металниот литиум. Литиумските јони можат реверзибилно да се интеркалираат и деинтеркалираат во јаглеродот, што значително ја намалува веројатноста за таложење на литиум метал и значително ја подобрува безбедноста на батеријата. Во последниве години,-адитиви за забавување, пламен-сепаратори за забавување, PTC (позитивен температурен коефициент), вентили за отпор-експлозија, системи за управување со батерии и други технологии обезбедија исклучително висока безбедност на литиум-јонските батерии.
Долг век на циклус.Циклусниот век на литиум-јонските батерии е генерално повеќе од 500 циклуси. Животниот век на литиум железо фосфатните батерии е генерално 2000-3000 циклуси. Кога се совпаѓаат со системи со анодни материјали со висока способност за циклус (како што е литиум титанат), може да се постигнат повеќе од 10.000 циклуси. Ова ги прави батериите со литиум железо фосфат најдобар избор за системи за батерии за складирање енергија и за проекти од големи- ESS.
