Литий{0}}иондық батареялардың сипаттамалары қандай?
Литий{0}}батарея материалдарының сыйымдылығы мен электр қозғаушы күші
Литий-иондық аккумуляторлардың заряды-разрядталу реакциясы кезінде тек оң және теріс электродтардың белсенді материалдары литий-иондарының интеркализациясы/деинтеркалациялану реакцияларына түседі, ал электролит және басқа материалдар жұмсалмайды. Демек, оң және теріс электродтық материалдардың литий иондарын қайтымды интеркалациялау/деинтеркалациялау потенциалы аккумулятордың ашық тізбегінің кернеуін анықтайды, ал литий иондарының интеркализациялану/деинтеркализациялау мөлшері белсенді материалдың сыйымдылығын анықтайды. Көптеген жаһандық литий-иондық батареяларды өндірушілер мен литий-иондық батареяларды жеткізушілер тұрақты жаппай өндіріске және өнімнің тұрақты өнімділігіне қол жеткізу үшін осы материал сипаттамаларына сүйенеді.
Теріс электрод үшін реакция (1.2) теңдеу бойынша жүреді. Көміртегінің бір мольіне (12 г) ең көбі 1/6 моль литий иондары интеркалациялануы мүмкін. Демек, көміртегі теріс электрод материалының теориялық меншікті сыйымдылығы болып табылады
1/6(моль)×96485(Фарадей тұрақтысы,С/моль)/12(г)=3400C/г=372(мА·сағ/г) (1,5)
Күнделікті қолдануда адсорбция мен қатты электролит интерфазасының (SEI) қабықшасының түзілуіне байланысты литийдің жоғалуын ескере отырып, көміртекті материалдардың нақты қол жеткізілетін меншікті сыйымдылығы 300–345 мА·сағ/г құрайды. Литий-иондық аккумуляторлық батареялардың жетекші жеткізушілері осы деңгейге оңтайландырылған графит құрастыру және дәл жабу процестері арқылы жетеді.
Оң электрод материалы үшін оның сыйымдылығы алынатын/енгізілетін литий иондарының мөлшеріне байланысты. Мысал ретінде LiCoO₂ алатын болсақ, реакцияға LiCoO₂ мольіне 1 мольге дейін литий иондары қатыса алады. Демек, LiCoO₂ теориялық меншікті сыйымдылығы (салыстырмалы молекулалық массасы 97,86)
1(моль)×96485(С/моль)/97,86(г)=985.95C/г=273.9(мА·сағ/г) (1,6)
Іс жүзінде LiCoO₂ материалының кристалдық тұрақтылығын сақтау үшін реакцияға литий иондарының 30%-60% ғана қатысады. Демек, LiCoO₂ материалының нақты меншікті сыйымдылығы 137–164 мА·сағ/г құрайды. Негізгі литий-иондық аккумулятор OEM өндірушілері қауіпсіздікті қамтамасыз ете отырып, циклдің қызмет ету мерзімін ұзарту үшін жетілдірілген BMS арқылы зарядтау және разряд тереңдігін басқарады.
Литий темір фосфаты үшін литий темір фосфатының бір мольіне 1 моль литий иондары реакцияға толық қатыса алады. Сондықтан литий темір фосфат материалының теориялық және нақты меншікті сыйымдылығы (салыстырмалы молекулалық массасы 157,8)
1(моль)×96485(С/моль)/157,8(г)=611.44C/г=169.8(мА·сағ/г) (1,7)
Табиғатта Li/Li⁺ стандартты тотықсыздандырғыш потенциалы ең төмен, -3,04 В-қа жетеді (стандартты сутегі электродымен салыстырғанда). Көміртегі теріс электродтық материалдар үшін литий-ионды алу және енгізу потенциалы Li/Li⁺ тепе-теңдік потенциалына жақын. Электрохимиялық теорияға сәйкес бөлме температурасында көміртегі теріс электродтың электродтық потенциалы Е болады
E=E дәрежесі + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
қайда
E дәрежесі - стандартты электродтық потенциал;
C(Li⁺) - электролит ерітіндісіндегі литий иондарының концентрациясы;
C(Li,C₆) - теріс электрод көміртегі литий иондарының концентрациясы.
Ерітіндідегі және теріс электродтағы көміртегі литий ионының концентрациясы жақын болғанда, теріс электродтың электродтық потенциалы стандартты тотықсыздану потенциалының E дәрежесіне тең болады. Әдетте электролиттегі литий ионының концентрациясы тұрақты, сондықтан теріс электрод көміртегі литий ионының концентрациясының өзгеруі теріс электрод потенциалының өзгеруіне әкеледі. Қазіргі уақытта әртүрлі x мәндері бар Li/C₆ тепе-теңдік потенциалын дәл есептеудің әмбебап әдісі жоқ. Ол әдетте эксперименталды түрде анықталады. Тәжірибе көрсеткендей, графит негізіндегі материалдардың делитиациялық әлеуеті- әдетте 0–0,4 В (Li/Li⁺-ке қарсы) арасында өзгеріп отырады, бұл оларды қолданбалар үшін салыстырмалы түрде қолайлы теріс электродтық материалдар етеді. 1.2-суретте графит теріс электродтың әдеттегі заряд{10}}разряд сипаттамасының қисығы көрсетілген.
LiCoO₂ оң электрод материалы үшін литийдің интеркалация/деинтеркалация процесі бір-фазалық реакция болып табылады. Оң электрод материалындағы литий ионының концентрациясы өзгерген сайын оң электродтың потенциалы да өзгереді. Электролиттегі литий ионының концентрациясын 1 моль/л деп есептесек, (1.1) теңдеудегі реакция үшін электродтың оң потенциалы Е болады.
E=E дәрежесі + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
қайда
E дәрежесі - стандартты электродтық потенциал;
C(LiCoO₂) - оң электрод материалындағы LiCoO₂ концентрациясы;
C(Li⁺,CoO₂) - оң электрод материалындағы Li⁺ және CoO₂ концентрациясы;
Литий иондары алынған кезде оң электрод потенциалы төмендеу тенденциясын көрсетеді.
Литий темір фосфаты материалының заряд-разряд процесі делитиядан кейін литий темір фосфатынан темір фосфатына айналу болып табылады.
Литий темір фосфат электродындағы реакция
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Оның литий-ионының интеркалация/деинтеркалация процесі екі фазалы реакция болып табылады. Сондықтан оң электрод материалындағы литий ионының концентрациясының өзгеруі оң электродтың потенциалдық өзгеруіне әсер етпейді. Оның тепе-теңдік потенциалы
E=E дәрежесі + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)
Таза қатты заттардың концентрациясы 1. Оның термодинамикалық параметрлері бойынша теориялық тепе-теңдік потенциалы 3,4 В.
Литий темір фосфаты материалының әдеттегі заряд-разряд сипаттамасының қисығы 1.3-суретте көрсетілген.
Литий{0}}ионды батареялардың өнімділік сипаттамалары
Басқа аккумуляторлармен салыстырғанда, литий-иондық батареялар литий-батареяларды таратушылар мен өнеркәсіптік тұтынушылар кеңінен танитын келесі сипаттамаларға ие:
Жоғары энергия тығыздығы.Литий{0}}ионды батареялардың энергия тығыздығы 100 Вт·сағ/кг және 200 Вт·сағ/л немесе одан да көп болады. Жақында үш реттік катодты литий{4}}иондық батареялар 200 Вт·сағ/кг массалық меншікті энергияға қол жеткізді. Жоғары{7}}никельді кремний-негізделген анодтық материалдар мен литий{9}}бай катодты материалдарды пайдалану арқылы массалық меншікті энергия 400 Вт·сағ/кг және көлемдік энергия тығыздығы 900 Вт·сағ/л жетеді, бұл дәстүрлі батареялардан әлдеқайда асып түседі. Сондықтан литий-иондық батареялар портативті электронды өнімдер мен электр көліктерінде кеңінен қолданылады.
Жоғары ашық{0}}тұйықталу кернеуі.Сусыз органикалық еріткіштерді-пайдаланудың арқасында бір ұяшықтағы кернеу 3,6–3,8 В-қа жетеді, бұл никель{6}}металл гидрид немесе никель{7}}кадмий батареяларынан 2-3 есе жоғары. Жоғары вольтты катодты материалдарды тиімді пайдалану бір элементтің жұмыс кернеуін 4,5–5 В-қа дейін арттыруы мүмкін, бұл литий-ионды батареялардың жоғары энергия тығыздығының маңызды себептерінің бірі болып табылады.
Жоғары жылдамдықпен зарядтау және разрядтау мүмкіндігі.Мысалы, полимер электролиттерін пайдаланатын барлық-қатты{1}}литий{2}}ионды батареялар жақсы қауіпсіздікпен 10C-тан жоғары разряд жылдамдығына қол жеткізе алады; Катод ретінде литий темір фосфатын пайдаланатын литий-ионды батареялар 100С разрядқа қол жеткізе алады.
Төмен өзін-өзі{0}}разрядтау жылдамдығы.Бөлме температурасында литий-иондық батареялардың ай сайынғы-разряды-әдетте 10%-дан аз, никель-металл гидридті батареялардан (15%) және никель-кадмий батареяларының жартысынан төмен. Литий-темір фосфатты батареялардың-өздігінен зарядсыздану жылдамдығы әдетте 3%-дан аз.
Экологиялық таза,құрамында қорғасын, кадмий, сынап немесе басқа зиянды заттар жоқ және қоршаған ортаны ластамайды.
Жад әсері жоқ.Жад эффектісі толық зарядталғанға дейін немесе толық зарядталғанға дейін пайдаланылғанға дейін қайта зарядталғанда батарея сыйымдылығы төмендейтін құбылысты білдіреді (жад әсері сыйымдылықтың төмендеуі емес). Литий{1}}иондық батареяларда жад әсері жоқ.
Жақсы қауіпсіздік.Литий{0}}иондық батареялар әдетте металл литийдің потенциалына жақын электродтық потенциалға ие теріс электрод ретінде көміртекті материалдарды пайдаланады. Литий иондары көміртегіде қайтымды интеркалациялануы және деинтеркалациялануы мүмкін, бұл литий металының шөгу ықтималдығын айтарлықтай төмендетеді және батарея қауіпсіздігін айтарлықтай жақсартады. Соңғы жылдары отқа төзімді қоспалар, отқа төзімді сепараторлар, PTC (оң температура коэффиценті) құрылғылары, жарылыстан қорғайтын клапандар, батареяларды басқару жүйелері және басқа технологиялар-литий-иондық батареялардың өте жоғары қауіпсіздігін қамтамасыз етті.
Ұзақ цикл мерзімі.Литий-иондық батареялардың қызмет ету мерзімі әдетте 500 циклден асады. Литий темірфосфатты батареялардың қызмет ету мерзімі әдетте 2000–3000 циклді құрайды. Жоғары циклдық мүмкіндігі бар анодтық материал жүйелерімен (мысалы, литий титанаты) сәйкес келсе, 10 000-нан астам циклге қол жеткізуге болады. Бұл литий-темір фосфатты батареяларды энергия сақтау батареялары жүйелері мен ауқымды ESS-жобалары үшін ең жақсы таңдау етеді.
