Какви са характеристиките на литиево-йонните батерии?

Капацитет и електродвижеща сила на материали за литиево-йонна батерия

По време на реакцията на зареждане-разреждане на литиево-йонни батерии само активните материали на положителните и отрицателните електроди претърпяват реакции на интеркалиране/деинтеркалиране на литиево-йони, докато електролитът и другите материали не се изразходват. Следователно потенциалът, при който материалите на положителните и отрицателните електроди обратимо интеркалират/деинтеркалират литиевите йони, определя напрежението на отворената- верига на батерията, а количеството интеркалирани/деинтеркалиращи литиеви йони определя капацитета на активния материал. Много глобални производители на литиево-йонни батерии и доставчици на литиево-йонни батерии разчитат на тези характеристики на материала, за да постигнат стабилно масово производство и постоянна производителност на продукта.

За отрицателния електрод реакцията протича съгласно уравнение (1.2). На мол въглерод (12 g) могат да бъдат интеркалирани максимум 1/6 mol литиеви йони. Следователно, теоретичният специфичен капацитет на въглеродния отрицателен електроден материал е
1/6(mol)×96485(константа на Фарадей,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

При ежедневна употреба, като се има предвид загубата на литий поради адсорбция и образуването на филм от интерфазата на твърдия електролит (SEI), действителният постижим специфичен капацитет на въглеродните материали е 300–345 mA·h/g. Водещи доставчици на литиево-йонни батерии постигат това ниво чрез оптимизирана графитна формула и прецизни процеси на нанасяне на покритие.

За материала на положителния електрод неговият капацитет зависи от количеството литиеви йони, които могат да бъдат извлечени/вмъкнати. Вземайки LiCoO₂ като пример, до 1 mol литиеви йони на мол LiCoO₂ може да участва в реакцията. Следователно, теоретичният специфичен капацитет на LiCoO₂ (относителна молекулна маса 97,86) е
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

На практика, за да се поддържа кристалната стабилност на LiCoO₂ материала, обикновено само 30%–60% от литиевите йони участват в реакцията. Следователно действителният специфичен капацитет на материала LiCoO₂ е 137–164 mA·h/g. Основните OEM производители на литиево-йонни батерии контролират дълбочината на зареждане и разреждане чрез усъвършенствана BMS, за да увеличат максимално живота на цикъла, като същевременно гарантират безопасност.

За литиево-железен фосфат, 1 mol литиеви йони на мол литиево-железен фосфат може да участва напълно в реакцията. Следователно, теоретичният и действителният специфичен капацитет на литиево-железния фосфатен материал (относителна молекулна маса 157,8) е
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)

В природата стандартният редокс потенциал на Li/Li⁺ е най-нисък, достигайки -3,04 V (спрямо стандартния водороден електрод). За въглеродните отрицателни електродни материали потенциалът за извличане и вмъкване на литиево-йонни е близо до равновесния потенциал Li/Li⁺. Според електрохимичната теория при стайна температура електродният потенциал E на въглеродния отрицателен електрод е

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

където
E степен - стандартен електроден потенциал;
C(Li⁺) - концентрация на литиеви йони в електролитния разтвор;
C(Li,C₆) - концентрация на литиеви йони във въглерода на отрицателния електрод.

Когато концентрацията на литиеви йони в разтвора и във въглерода на отрицателния електрод са близки, електродният потенциал на отрицателния електрод е равен на стандартния редукционен потенциал E степен. Обикновено концентрацията на литиеви йони в електролита е фиксирана, така че промените в концентрацията на литиеви йони във въглерода на отрицателния електрод ще причинят промени в потенциала на отрицателния електрод. Понастоящем няма универсален метод за изчисляване на точния равновесен потенциал на Li/C₆ с различни стойности на x. Обикновено се определя експериментално. Експериментите показват, че потенциалът за разделяне на материалите на основата на графит- обикновено варира между 0–0,4 V (спрямо Li/Li⁺), което ги прави относително подходящи материали за отрицателни електроди за приложения. Фигура 1.2 показва характеристичната крива на типичния заряд-разряд на графитен отрицателен електрод.

За материала на положителния електрод LiCoO₂ процесът на интеркалиране/деинтеркалиране на литий е едно-фазова реакция. Тъй като концентрацията на литиеви йони в материала на положителния електрод се променя, потенциалът на положителния електрод също се променя. Като се има предвид, че концентрацията на литиеви йони в електролита е 1 mol/L, за реакцията в уравнение (1.1), потенциалът на положителния електрод E е

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

където
E степен - стандартен електроден потенциал;
C(LiCoO₂) - концентрация на LiCoO₂ в материала на положителния електрод;
C(Li⁺,CoO₂) - концентрация на Li⁺ и CoO₂ в материала на положителния електрод;
Тъй като литиевите йони се извличат, потенциалът на положителния електрод показва низходяща тенденция.

Процесът на-разреждане на литиево-железния фосфат е превръщането от литиево-железен фосфат в железен фосфат след разделяне.

Реакцията при литиево-железния фосфатен електрод е
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)

Неговият процес на интеркалиране/деинтеркалиране на литиево-йони е двуфазова реакция. Следователно промените в концентрацията на литиеви йони в материала на положителния електрод не влияят върху потенциалната промяна на положителния електрод. Неговият равновесен потенциал е

E=E степен + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)

Концентрацията на чисти твърди вещества е 1. Въз основа на неговите термодинамични параметри, теоретичният равновесен потенциал е 3,4 V.

Характеристичната крива на типичния заряд-разряд на литиево-железен фосфатен материал е показана на Фигура 1.3.

Характеристики на литиево-йонните батерии

В сравнение с други батерии, литиево-йонните батерии имат следните характеристики, които са широко признати от дистрибуторите на литиево-йонни батерии и индустриалните клиенти:

Висока енергийна плътност.Енергийната плътност на литиево-йонните батерии достига 100 W·h/kg и 200 W·h/L или повече. Последните тройни катодни литиево-йонни батерии постигнаха специфична енергия за маса от 200 W·h/kg. Използвайки високо-никелови силициеви-анодни материали и богати-литий катодни материали, се очаква специфичната маса на енергията да достигне 400 W·h/kg, а обемната енергийна плътност 900 W·h/L, далеч надхвърляйки традиционните батерии. Следователно литиево-йонните батерии се използват широко в преносими електронни продукти и електрически превозни средства.

Високо напрежение{0}}на отворена верига.Поради използването на не-водни органични разтворители напрежението на една-клетка достига 3,6–3,8 V, което е 2–3 пъти по-голямо от това на никел-металхидридни или никел-кадмиеви батерии. Ефективното използване на катодни материали с високо-напрежение може да увеличи работното напрежение на една клетка до 4,5–5 V, което е една от важните причини за високата енергийна плътност на литиево-йонните батерии.

Възможност за високо{0}}зареждане и разреждане.Например всички-твърдо-литиево-йонни батерии, използващи полимерни електролити, могат да постигнат скорости на разреждане над 10C при добра безопасност; литиево-йонни батерии, използващи литиево-железен фосфат като катод, могат да постигнат 100C разряд.

Ниска степен на-саморазреждане.При стайна температура месечната -скорост на саморазреждане на литиево-йонните батерии обикновено е под 10%, по-ниска от никел-метал хидридни батерии (15%) и половината от тази на никел{-кадмиевите батерии. Степента на само-разреждане на литиево-железно-фосфатните батерии обикновено е под 3%.

Екологично чист,не съдържа олово, кадмий, живак или други вредни вещества и не замърсява околната среда.

Без мемори ефект.Ефектът на паметта се отнася до феномена, при който капацитетът на батерията намалява, когато се презареди, преди да бъде напълно разредена, или се използва, преди да бъде напълно заредена (ефектът на паметта не е намаляване на капацитета). Литиево-йонните батерии нямат ефект на паметта.

Добра безопасност.Литиево-йонните батерии обикновено използват въглеродни материали като отрицателен електрод, който има електроден потенциал, близък до този на металния литий. Литиевите йони могат обратимо да се интеркалират и деинтеркалират във въглерода, като значително намаляват вероятността от отлагане на метален литий и значително подобряват безопасността на батерията. През последните години огнезащитни-добавки,-сепаратори за забавяне на горенето, PTC (положителен температурен коефициент) устройства, взривообезопасени-вентили, системи за управление на батерията и други технологии гарантират изключително висока безопасност на литиево-йонните батерии.

Дълъг живот на цикъла.Цикълът на живот на литиево-йонните батерии обикновено е повече от 500 цикъла. Животът на литиево-железните фосфатни батерии обикновено е 2000–3000 цикъла. Когато се комбинират със системи от анодни материали с висока способност за цикъл (като литиев титанат), могат да бъдат постигнати повече от 10 000 цикъла. Това прави литиево-железните фосфатни батерии най-добрият избор за батерийни системи за съхранение на енергия и широкомащабни ESS проекти.