Kakšne so značilnosti litij-ionskih baterij?
Kapaciteta in elektromotorna sila materialov za litij-ionsko baterijo
Med reakcijo polnjenja-praznjenja litij-ionskih baterij so samo aktivni materiali pozitivne in negativne elektrode podvrženi reakcijam interkalacije/deinterkalacije litij-ionov, medtem ko se elektrolit in drugi materiali ne porabijo. Zato potencial, pri katerem materiali pozitivne in negativne elektrode reverzibilno interkalirajo/deinterkalirajo litijeve ione, določa napetost odprtega -vezja baterije, količina interkaliranih/deinterkaliranih litijevih ionov pa določa zmogljivost aktivnega materiala. Številni svetovni proizvajalci litij-ionskih baterij in dobavitelji litij-ionskih baterij se zanašajo na te značilnosti materiala, da dosežejo stabilno množično proizvodnjo in dosledno delovanje izdelka.
Pri negativni elektrodi poteka reakcija v skladu z enačbo (1.2). Na mol ogljika (12 g) se lahko interkalira največ 1/6 mol litijevih ionov. Zato je teoretična specifična zmogljivost materiala negativne ogljikove elektrode
1/6(mol)×96485(Faradayeva konstanta,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
Pri vsakodnevni uporabi je ob upoštevanju izgube litija zaradi adsorpcije in tvorbe medfaznega filma trdnega elektrolita (SEI) dejanska dosegljiva specifična zmogljivost ogljikovih materialov 300–345 mA·h/g. Vodilni dobavitelji litij-ionskih baterij dosegajo to raven z optimizirano formulacijo grafita in natančnimi postopki nanašanja premazov.
Za material pozitivne elektrode je njegova zmogljivost odvisna od količine litijevih ionov, ki jih je mogoče ekstrahirati/vstaviti. Če vzamemo za primer LiCoO₂, lahko v reakciji sodeluje do 1 mol litijevih ionov na mol LiCoO₂. Zato je teoretična specifična zmogljivost LiCoO₂ (relativna molekulska masa 97,86)
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
V praksi za ohranitev kristalne stabilnosti materiala LiCoO₂ v reakciji običajno sodeluje le 30–60 % litijevih ionov. Zato je dejanska specifična zmogljivost materiala LiCoO₂ 137–164 mA·h/g. Glavni proizvajalci originalne opreme za litij-ionske baterije nadzorujejo globino polnjenja in praznjenja prek naprednega BMS, da povečajo življenjsko dobo cikla in hkrati zagotovijo varnost.
Pri litijevem železovem fosfatu lahko 1 mol litijevih ionov na mol litijevega železovega fosfata v celoti sodeluje v reakciji. Zato je teoretična in dejanska specifična zmogljivost litijevega železovega fosfatnega materiala (relativna molekulska masa 157,8)
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
V naravi je standardni redoks potencial Li/Li⁺ najnižji in doseže -3,04 V (v primerjavi s standardno vodikovo elektrodo). Za ogljikove negativne elektrodne materiale je potencial ekstrakcije in vstavljanja litij-ionov blizu ravnotežnega potenciala Li/Li⁺. Po elektrokemijski teoriji je pri sobni temperaturi elektrodni potencial E ogljikove negativne elektrode enak
E=E stopnja + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
kjer
E stopnja - standardni potencial elektrode;
C(Li⁺) - koncentracija litijevih ionov v raztopini elektrolita;
C(Li,C₆) - koncentracija litijevih ionov v ogljiku negativne elektrode.
Ko sta koncentracija litijevih ionov v raztopini in v ogljiku negativne elektrode blizu, je potencial elektrode negativne elektrode enak standardnemu redukcijskemu potencialu E stopnja. Na splošno je koncentracija litijevih ionov v elektrolitu fiksna, zato bodo spremembe koncentracije litijevih ionov v ogljiku negativne elektrode povzročile spremembe potenciala negativne elektrode. Trenutno ni univerzalne metode za izračun natančnega ravnotežnega potenciala Li/C₆ z različnimi vrednostmi x. Na splošno se določi eksperimentalno. Poskusi kažejo, da se delitizacijski potencial materialov na osnovi grafita-na splošno spreminja med 0–0,4 V (v primerjavi z Li/Li⁺), zaradi česar so relativno primerni materiali za negativne elektrode za aplikacije. Slika 1.2 prikazuje tipično karakteristično krivuljo-razelektritve grafitne negativne elektrode.
Za material pozitivne elektrode LiCoO₂ je postopek interkalacije/deinterkalacije litija eno-fazna reakcija. Ko se spremeni koncentracija litijevih ionov v materialu pozitivne elektrode, se spremeni tudi potencial pozitivne elektrode. Glede na to, da je koncentracija litijevega iona v elektrolitu 1 mol/L, je za reakcijo v enačbi (1.1) potencial pozitivne elektrode E enak
E=E stopnja + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
kjer
E stopnja - standardni potencial elektrode;
C(LiCoO₂) - koncentracija LiCoO₂ v materialu pozitivne elektrode;
C(Li⁺,CoO₂) - koncentracija Li⁺ in CoO₂ v materialu pozitivne elektrode;
Ko se litijevi ioni ekstrahirajo, potencial pozitivne elektrode kaže trend padanja.
Postopek praznjenja litijevega železovega fosfata je pretvorba iz litijevega železovega fosfata v železov fosfat po delitvi.
Reakcija na litij železofosfatni elektrodi je
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Njegov proces interkalacije/deinterkalacije litij-ionov je dvofazna reakcija-. Zato spremembe koncentracije litijevih ionov v materialu pozitivne elektrode ne vplivajo na spremembo potenciala pozitivne elektrode. Njegov ravnotežni potencial je
E=E stopnja + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)
Koncentracija čistih trdnih snovi je 1. Na podlagi njegovih termodinamičnih parametrov je teoretični ravnotežni potencial 3,4 V.
Tipična karakteristična krivulja naboja-razelektritve materiala litij-železov fosfat je prikazana na sliki 1.3.
Značilnosti delovanja litij-ionskih baterij
V primerjavi z drugimi baterijami imajo litij-ionske baterije naslednje značilnosti, ki jih distributerji litij-ionskih baterij in industrijski odjemalci splošno priznavajo:
Visoka energijska gostota.Energijska gostota litij{0}}ionskih baterij doseže 100 W·h/kg in 200 W·h/L ali več. Najnovejše litij-ionske baterije s trojno katodo so dosegle masno specifično energijo 200 W·h/kg. Z uporabo anodnih materialov-na osnovi -niklja-silicija in katodnih materialov,-bogatih z litijem, se pričakuje, da bo masna specifična energija dosegla 400 W·h/kg in volumetrična energijska gostota 900 W·h/L, kar daleč presega tradicionalne baterije. Zato se litij-ionske baterije pogosto uporabljajo v prenosnih elektronskih izdelkih in električnih vozilih.
Visoka{0}}napetost odprtega tokokroga.Zaradi uporabe ne-vodnih organskih topil napetost posamezne-celice doseže 3,6–3,8 V, kar je 2–3-krat več kot pri nikelj-metal-hidridnih ali nikelj-kadmijevih baterijah. Učinkovita uporaba visokonapetostnih katodnih materialov lahko poveča delovno napetost posamezne celice na 4,5–5 V, kar je eden od pomembnih razlogov za visoko energijsko gostoto litij{12}}ionskih baterij.
Zmožnost visoko{0}}hitrostnega polnjenja in praznjenja.Na primer, vse-polprevodni-litij-ionske baterije, ki uporabljajo polimerne elektrolite, lahko dosežejo stopnje praznjenja nad 10C z dobro varnostjo; litij-ionske baterije, ki uporabljajo litijev železov fosfat kot katodo, lahko dosežejo praznjenje 100C.
Nizka stopnja samopraznjenja-.Mesečna-stopnja samopraznjenja litij-ionskih baterij je pri sobni temperaturi na splošno nižja od 10 %, nižja kot pri nikelj-metal-hidridnih baterijah (15 %) in polovica manjša od nikelj-kadmijevih baterij. Stopnja samopraznjenja litij-železo-fosfatnih baterij je na splošno manjša od 3 %.
Okolju prijazen,ne vsebuje svinca, kadmija, živega srebra ali drugih škodljivih snovi in ne onesnažuje okolja.
Brez spominskega učinka.Učinek spomina se nanaša na pojav, ko se zmogljivost baterije zmanjša, ko jo ponovno napolnite, preden je popolnoma izpraznjena, ali jo uporabljate, preden je popolnoma napolnjena (učinek spomina ni upad zmogljivosti). Litij-ionske baterije nimajo spominskega učinka.
Dobra varnost.Litij{0}}ionske baterije običajno uporabljajo ogljikove materiale kot negativno elektrodo, ki ima potencial elektrode, ki je blizu potencialu kovinskega litija. Litijevi ioni lahko reverzibilno interkalirajo in deinterkalirajo v ogljiku, kar močno zmanjša verjetnost odlaganja kovinskega litija in znatno izboljša varnost baterije. V zadnjih letih so aditivi-zaviralci gorenja, separatorji-zaviralci gorenja, naprave PTC (pozitivni temperaturni koeficient), ventili-odporni proti eksploziji, sistemi za upravljanje baterij in druge tehnologije zagotovili izjemno visoko varnost litij-ionskih baterij.
Dolga življenjska doba cikla.Življenjska doba litij{0}}ionskih baterij je običajno več kot 500 ciklov. Življenjska doba litij-železo-fosfatnih baterij je običajno 2000–3000 ciklov. Če se ujema s sistemi anodnih materialov z visoko zmogljivostjo ciklov (kot je litijev titanat), je mogoče doseči več kot 10.000 ciklov. Zaradi tega so litij-železo-fosfatne baterije najboljša izbira za akumulatorske sisteme za shranjevanje energije in velike-projekte ESS.
