Aké sú vlastnosti lítium-iónových batérií?

Kapacita a elektromotorická sila lítium-iónových batérií

Počas reakcie nabíjania-vybíjania lítium{1}}iónových batérií podliehajú interkalačným/deinterkalačným reakciám lítium-iónových iónov iba aktívne materiály kladných a záporných elektród, zatiaľ čo elektrolyt a iné materiály sa nespotrebúvajú. Potenciál, pri ktorom materiály kladnej a zápornej elektródy reverzibilne interkalujú/deinterkalujú lítne ióny, teda určuje napätie v otvorenom -obvode batérie a množstvo interkalujúcich/deinterkalačných lítiových iónov určuje kapacitu aktívneho materiálu. Mnohí svetoví výrobcovia lítium-iónových batérií a dodávatelia lítium{7}}iónových batérií sa spoliehajú na tieto materiálové charakteristiky pri dosahovaní stabilnej hromadnej výroby a konzistentného výkonu produktov.

Pre zápornú elektródu prebieha reakcia podľa rovnice (1.2). Na mól uhlíka (12 g) možno interkalovať maximálne 1/6 mólu lítiových iónov. Preto je teoretická špecifická kapacita materiálu uhlíkovej zápornej elektródy
1/6(mol)×96485(Faradayova konštanta,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

Pri každodennom používaní, berúc do úvahy straty lítia v dôsledku adsorpcie a tvorby medzifázového filmu pevného elektrolytu (SEI), je skutočná dosiahnuteľná špecifická kapacita uhlíkových materiálov 300–345 mA·h/g. Poprední dodávatelia lítium{3}}iónových batérií dosahujú túto úroveň vďaka optimalizovanému zloženiu grafitu a presným procesom povrchovej úpravy.

Pokiaľ ide o materiál kladnej elektródy, jeho kapacita závisí od množstva lítiových iónov, ktoré je možné extrahovať/vložiť. Ak vezmeme ako príklad LiCoO2, reakcie sa môže zúčastniť až 1 mol lítiových iónov na mol LiCoO2. Preto je teoretická špecifická kapacita LiCoO₂ (relatívna molekulová hmotnosť 97,86).
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

V praxi sa na udržanie kryštálovej stability materiálu LiCoO₂ zvyčajne reakcie zúčastňuje iba 30 % až 60 % lítiových iónov. Preto je skutočná špecifická kapacita LiCoO₂ materiálu 137–164 mAh·h/g. Hlavní výrobcovia lítium{6}}iónových batérií OEM riadia hĺbku nabitia a vybitia pomocou pokročilého systému BMS, aby maximalizovali životnosť cyklu a zároveň zaistili bezpečnosť.

V prípade fosforečnanu lítno-železitého sa reakcie môže plne zúčastniť 1 mol lítnych iónov na mol fosforečnanu lítno-železitého. Preto je teoretická a skutočná špecifická kapacita materiálu fosforečnanu lítneho a železa (relatívna molekulová hmotnosť 157,8).
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)

V prírode je štandardný redoxný potenciál Li/Li⁺ najnižší a dosahuje -3,04 V (v porovnaní so štandardnou vodíkovou elektródou). V prípade materiálov uhlíkových záporných elektród je potenciál extrakcie a vloženia lítium-iónových iónov blízko rovnovážneho potenciálu Li/Li⁺. Podľa elektrochemickej teórie je pri izbovej teplote elektródový potenciál E uhlíkovej zápornej elektródy

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

kde
E stupeň - štandardný elektródový potenciál;
C(Li⁺) - koncentrácia lítiových iónov v roztoku elektrolytu;
C(Li,C₆) - koncentrácia lítiových iónov v uhlíku zápornej elektródy.

Keď sú koncentrácie lítiových iónov v roztoku a v uhlíku zápornej elektródy blízke, elektródový potenciál zápornej elektródy sa rovná štandardnému redukčnému potenciálu E stupňa. Vo všeobecnosti je koncentrácia lítiových iónov v elektrolyte pevná, takže zmeny koncentrácie lítiových iónov v uhlíku zápornej elektródy spôsobia zmeny v zápornom elektródovom potenciáli. V súčasnosti neexistuje univerzálna metóda na výpočet presného rovnovážneho potenciálu Li/C₆ s meniacimi sa hodnotami x. Vo všeobecnosti sa určuje experimentálne. Experimenty ukazujú, že delitiačný potenciál materiálov na báze grafitu-vo všeobecnosti kolíše medzi 0–0,4 V (vs. Li/Li⁺), čo z nich robí relatívne vhodné materiály záporných elektród na aplikácie. Obrázok 1.2 zobrazuje typickú krivku nabíjania{10}výboja grafitovej zápornej elektródy.

V prípade materiálu kladnej elektródy LiCoO₂ je proces interkalácie/deinterkalácie lítia jednofázovou reakciou. Ako sa mení koncentrácia lítiových iónov v materiáli kladnej elektródy, mení sa aj potenciál kladnej elektródy. Vzhľadom na to, že koncentrácia lítnych iónov v elektrolyte je 1 mol/l, pre reakciu v rovnici (1.1) je kladný elektródový potenciál E

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

kde
E stupeň - štandardný elektródový potenciál;
C(LiCoO₂) - koncentrácia LiCoO₂ v materiáli kladnej elektródy;
C(Li⁺,CoO₂) - koncentrácia Li⁺ a CoO₂ v materiáli kladnej elektródy;
Keď sa lítiové ióny extrahujú, pozitívny elektródový potenciál vykazuje klesajúci trend.

Proces nabíjania-vybíjania materiálu fosforečnanu lítno-železitého je premena fosforečnanu lítno-železitého na fosforečnan železnatý po delení.

Reakcia na elektróde fosforečnanu lítneho je
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)

Proces interkalácie/deinterkalácie lítium-iónových iónov je dvojfázová{1}reakcia. Preto zmeny koncentrácie lítiových iónov v materiáli kladnej elektródy neovplyvňujú potenciálnu zmenu kladnej elektródy. Jeho rovnovážny potenciál je

E=E stupeň + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)

Koncentrácia čistých pevných látok je 1. Na základe jej termodynamických parametrov je teoretický rovnovážny potenciál 3,4 V.

Typická krivka náboja{0}}výboja materiálu fosforečnanu lítno-železitého je znázornená na obrázku 1.3.

Výkonnostné charakteristiky lítium-iónových batérií

V porovnaní s inými batériami majú lítium{0}}iónové batérie nasledujúce vlastnosti, ktoré sú všeobecne uznávané distribútormi lítium{1}}iónových batérií a priemyselnými zákazníkmi:

Vysoká hustota energie.Energetická hustota lítium{0}}iónových batérií dosahuje 100 W·h/kg a 200 W·h/l alebo viac. Nedávne lítium{4}}iónové batérie s ternárnymi katódami dosiahli hmotnostne špecifickú energiu 200 W·h/kg. Očakáva sa, že pri použití materiálov anód na báze niklu a kremíka- a katódových materiálov bohatých na lítium- dosiahne špecifická hmotnosť energie 400 W·h/kg a objemová hustota energie 900 W·h/L, čo je oveľa viac ako u tradičných batérií. Lítium{13}}iónové batérie sa preto široko používajú v prenosných elektronických produktoch a elektrických vozidlách.

Vysoké napätie v otvorenom-obvode.Vďaka použitiu ne-vodných organických rozpúšťadiel dosahuje napätie jedného-článku 3,6 – 3,8 V, čo je 2 – 3-krát viac ako v prípade nikel-metalhydridových alebo nikel{7}}kadmiových batérií. Efektívne využitie vysokonapäťových katódových materiálov môže zvýšiť prevádzkové napätie jedného článku na 4,5 – 5 V, čo je jeden z dôležitých dôvodov vysokej hustoty energie lítium-iónových batérií.

Schopné vysoko{0}}nabíjať a vybíjať.Napríklad všetky -pevné-lítium-iónové batérie{2}} používajúce polymérové ​​elektrolyty môžu dosiahnuť rýchlosť vybíjania nad 10 °C s dobrou bezpečnosťou; Lítium{4}}iónové batérie využívajúce fosforečnan lítno-železitý ako katódu môžu dosiahnuť vybitie 100 °C.

Nízka rýchlosť samo{0}}vybíjania.Pri izbovej teplote je mesačná miera samovybíjania lítium{1}iónových batérií vo všeobecnosti nižšia ako 10 %, nižšia ako v prípade nikel-metalhydridových batérií (15 %) a polovičná v porovnaní s nikel-kadmiovými batériami. Rýchlosť samovybíjania lítium-železofosfátových batérií je vo všeobecnosti nižšia ako 3 %.

šetrné k životnému prostrediu,neobsahuje olovo, kadmium, ortuť ani iné škodlivé látky a neznečisťuje životné prostredie.

Žiadny pamäťový efekt.Pamäťový efekt sa týka javu, pri ktorom sa kapacita batérie znižuje pri nabíjaní pred úplným vybitím alebo používaním pred úplným nabitím (pamäťový efekt nie je pokles kapacity). Lítium-iónové batérie nemajú pamäťový efekt.

Dobrá bezpečnosť.Lítium{0}}iónové batérie vo všeobecnosti používajú uhlíkové materiály ako zápornú elektródu, ktorá má elektródový potenciál blízky potenciálu kovového lítia. Lítiové ióny môžu reverzibilne interkalovať a deinterkalovať v uhlíku, čo výrazne znižuje pravdepodobnosť usadzovania lítiového kovu a výrazne zlepšuje bezpečnosť batérie. V posledných rokoch-aditíva spomaľujúce horenie,-oddeľovače spomaľujúce horenie, zariadenia PTC (pozitívny teplotný koeficient), ventily proti výbuchu-, systémy správy batérií a ďalšie technológie zaistili extrémne vysokú bezpečnosť lítium-iónových batérií.

Dlhá životnosť cyklu.Životnosť lítium{0}}iónových batérií je vo všeobecnosti viac ako 500 cyklov. Životnosť lítium-železofosfátových batérií je vo všeobecnosti 2000–3000 cyklov. Pri spojení so systémami anódových materiálov s vysokou cyklickou schopnosťou (ako je titanát lítny) je možné dosiahnuť viac ako 10 000 cyklov. Vďaka tomu sú lítium-železofosfátové batérie najlepšou voľbou pre systémy akumulátorov energie a veľké-projekty ESS.