Wat is die kenmerke van litium-ioonbatterye?
Kapasiteit en elektromotoriese krag van litium-ioonbatterymateriaal
Tydens die laai-ontladingsreaksie van litium-ioonbatterye ondergaan slegs die aktiewe materiale van die positiewe en negatiewe elektrodes litium-ioon-interkalasie/de-interkalasie-reaksies, terwyl die elektroliet en ander materiale nie verbruik word nie. Daarom bepaal die potensiaal waarteen die positiewe en negatiewe elektrodemateriale omkeerbaar interkaleer/de-interkaleer litiumione die oop-kringspanning van die battery, en die hoeveelheid litiumione wat interkaleer/deinterkaleer, bepaal die kapasiteit van die aktiewe materiaal. Baie wêreldwye litium-ioonbatteryvervaardigers en litium-ioonbatteryverskaffers maak staat op hierdie materiaalkenmerke om stabiele massaproduksie en konsekwente produkprestasie te bereik.
Vir die negatiewe elektrode vind die reaksie plaas volgens Vergelyking (1.2). Per mol koolstof (12g) kan 'n maksimum van 1/6 mol litiumione tussengevoeg word. Daarom is die teoretiese spesifieke kapasiteit van koolstofnegatiewe elektrodemateriaal
1/6(mol)×96485(Faraday-konstante,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
In daaglikse gebruik, met inagneming van litiumverlies as gevolg van adsorpsie en die vorming van die soliede elektroliet interfase (SEI) film, is die werklike haalbare spesifieke kapasiteit van koolstofmateriale 300–345 mA·h/g. Vooraanstaande litium-ioonbatterypakverskaffers bereik hierdie vlak deur geoptimaliseerde grafietformulering en presiese deklaagprosesse.
Vir die positiewe elektrodemateriaal hang die kapasiteit daarvan af van die hoeveelheid litiumione wat onttrek/ingevoeg kan word. As LiCoO₂ as 'n voorbeeld geneem word, kan tot 1 mol litiumione per mol LiCoO₂ aan die reaksie deelneem. Daarom is die teoretiese spesifieke kapasiteit van LiCoO₂ (relatiewe molekulêre massa 97,86)
1(mol)×96485(C/mol)/97.86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)
In die praktyk, om die kristalstabiliteit van LiCoO₂-materiaal te handhaaf, neem gewoonlik net 30%–60% van die litiumione deel aan die reaksie. Daarom is die werklike spesifieke kapasiteit van LiCoO₂-materiaal 137–164 mA·h/g. Groot litium-ioonbattery OEM-vervaardigers beheer die diepte van laai en ontlading deur gevorderde BMS om die sikluslewe te maksimeer terwyl veiligheid verseker word.
Vir litium-ysterfosfaat kan 1 mol litium-ione per mol litium-ysterfosfaat ten volle aan die reaksie deelneem. Daarom is die teoretiese en werklike spesifieke kapasiteit van litium-ysterfosfaatmateriaal (relatiewe molekulêre massa 157,8)
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)
In die natuur is die standaard redokspotensiaal van Li/Li⁺ die laagste, en bereik -3.04 V (teenoor standaard waterstofelektrode). Vir koolstofnegatiewe elektrodemateriale is die potensiaal van litium-ioon-ekstraksie en -invoeging naby die Li/Li⁺-ewewigspotensiaal. Volgens elektrochemiese teorie, by kamertemperatuur, is die elektrodepotensiaal E van die koolstofnegatiewe elektrode
E=E-graad + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
waar
E graad - standaard elektrode potensiaal;
C(Li⁺) - konsentrasie van litiumione in die elektrolietoplossing;
C(Li,C₆) - konsentrasie van litiumione in die negatiewe elektrodekoolstof.
Wanneer die litiumioonkonsentrasie in die oplossing en in die negatiewe elektrodekoolstof naby is, is die elektrodepotensiaal van die negatiewe elektrode gelyk aan die standaard reduksiepotensiaal E graad. Oor die algemeen is die litiumioonkonsentrasie in die elektroliet vas, dus veranderinge in litiumioonkonsentrasie in die negatiewe elektrodekoolstof sal veranderinge in die negatiewe elektrodepotensiaal veroorsaak. Daar is tans geen universele metode om die presiese ewewigspotensiaal van Li/C₆ met wisselende x-waardes te bereken nie. Dit word oor die algemeen eksperimenteel bepaal. Eksperimente toon dat die delithiation-potensiaal van grafiet--gebaseerde materiale oor die algemeen wissel tussen 0-0.4 V (teenoor Li/Li⁺), wat hulle relatief geskikte negatiewe elektrodemateriale vir toepassings maak. Figuur 1.2 toon die tipiese lading-ontladingskenmerk van 'n grafiet-negatiewe elektrode.
Vir LiCoO₂-positiewe elektrodemateriaal is die litium-interkalasie/de-interkalasieproses 'n enkel-fasereaksie. Soos die litiumioonkonsentrasie in die positiewe elektrodemateriaal verander, verander die potensiaal van die positiewe elektrode ook. Met inagneming van die litiumioonkonsentrasie in die elektroliet is 1 mol/L, vir die reaksie in Vergelyking (1.1), is die positiewe elektrodepotensiaal E
E=E-graad + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
waar
E graad - standaard elektrode potensiaal;
C(LiCoO₂) - konsentrasie van LiCoO₂ in die positiewe elektrodemateriaal;
C(Li⁺,CoO₂) - konsentrasie van Li⁺ en CoO₂ in die positiewe elektrodemateriaal;
Soos litiumione onttrek word, toon die positiewe elektrodepotensiaal 'n afwaartse neiging.
Die lading-ontladingsproses van litiumysterfosfaatmateriaal is die omskakeling van litiumysterfosfaat na ysterfosfaat na afskeiding.
Die reaksie by die litium-ysterfosfaatelektrode is
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Sy litium-ioon-interkalasie-/de-interkalasieproses is 'n twee-fasereaksie. Veranderinge in litiumioonkonsentrasie in die positiewe elektrodemateriaal beïnvloed dus nie die potensiaalverandering van die positiewe elektrode nie. Sy ewewigspotensiaal is
E=E-graad + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Die konsentrasie van suiwer vaste stowwe is 1. Op grond van sy termodinamiese parameters is die teoretiese ewewigspotensiaal 3,4 V.
Die tipiese lading-ontladingskenmerk van litiumysterfosfaatmateriaal word in Figuur 1.3 getoon.
Prestasie-eienskappe van litium-ioonbatterye
In vergelyking met ander batterye het litium-ioonbatterye die volgende kenmerke wat wyd erken word deur litium-ioonbatteryeverspreiders en industriële kliënte:
Hoë energiedigtheid.Die energiedigtheid van litium-ioonbatterye bereik 100 W·h/kg en 200 W·h/L of meer. Onlangse ternêre katode litium-ioonbatterye het 'n massa-spesifieke energie van 200 W·h/kg bereik. Deur gebruik te maak van hoë-nikkelsilikon-gebaseerde anodemateriale en litium-ryke katodemateriale, word verwag dat die massaspesifieke energie 400 W·h/kg en die volumetriese energiedigtheid 900 W·h/L sal bereik, wat tradisionele batterye ver oorskry. Daarom word litium-ioonbatterye wyd gebruik in draagbare elektroniese produkte en elektriese voertuie.
Hoë oop-kringspanning.As gevolg van die gebruik van nie-waterige organiese oplosmiddels, bereik die enkel-selspanning 3,6–3,8 V, wat 2–3 keer dié van nikkel-metaalhidried of nikkel-kadmiumbatterye is. Die doeltreffende gebruik van hoë-katodemateriale kan die bedryfspanning van 'n enkele sel tot 4,5–5 V verhoog, wat een van die belangrike redes is vir die hoë energiedigtheid van litium-ioonbatterye.
In staat om hoë-koerse te laai en te ontlaai.Byvoorbeeld, alle -vaste-litium-ioonbatterye wat polimeerelektroliete gebruik, kan ontladingstempo's bo 10C bereik met goeie veiligheid; litium-ioonbatterye wat litiumysterfosfaat as die katode gebruik, kan 100C ontlading bereik.
Lae self-ontladingtempo.By kamertemperatuur is die maandelikse-selfontladingtempo van litium-ioonbatterye oor die algemeen minder as 10%, laer as nikkel-metaalhidriedbatterye (15%) en die helfte van dié van nikkel-kadmiumbatterye. Die selfontladingstempo van litium-ysterfosfaatbatterye is gewoonlik minder as 3%.
Omgewingsvriendelik,wat geen lood, kadmium, kwik of ander skadelike stowwe bevat nie, en besoedel nie die omgewing nie.
Geen geheue-effek nie.Geheue-effek verwys na die verskynsel waar die batterykapasiteit afneem wanneer dit herlaai word voordat dit ten volle ontlaai word of gebruik word voordat dit ten volle gelaai word (geheue-effek is nie kapasiteitsverval nie). Litium-ioonbatterye het geen geheue-effek nie.
Goeie veiligheid.Litium-ioonbatterye gebruik gewoonlik koolstofmateriale as die negatiewe elektrode, wat 'n elektrodepotensiaal naby dié van metaallitium het. Litiumione kan omkeerbaar interkaleer en deinterkaleer in koolstof, wat die waarskynlikheid van litiummetaalafsetting aansienlik verminder en batteryveiligheid aansienlik verbeter. In onlangse jare het vlam-vertragende bymiddels, vlam-vertragende skeiers, PTC (positiewe temperatuurkoëffisiënt) toestelle, ontploffings-vaste kleppe, batterybestuurstelsels en ander tegnologieë uiters hoë veiligheid van litium-ioonbatterye verseker.
Lang siklus lewe.Die sikluslewe van litium-ioonbatterye is oor die algemeen meer as 500 siklusse. Die sikluslewe van litium-ysterfosfaatbatterye is oor die algemeen 2000–3000 siklusse. Wanneer dit ooreenstem met anodemateriaalstelsels met hoë siklusvermoë (soos litiumtitanaat), kan meer as 10 000 siklusse bereik word. Dit maak litium-ysterfosfaatbatterye die beste keuse vir energiebergingbatterystelsels en groot-ESS-projekte.
