Litium{0}}ion Batareyaların Xüsusiyyətləri Nədir?

Litium{0}}İon Batareya Materiallarının Tutumu və Elektrohərəkətçi Gücü

Litium ion batareyalarının -boşaltma reaksiyası zamanı, yalnız müsbət və mənfi elektrodların aktiv materialları litium-ion interkalasiyası/deinterkalasiya reaksiyalarına məruz qalır, elektrolit və digər materiallar isə sərf olunmur. Buna görə də, müsbət və mənfi elektrod materiallarının litium ionlarını geri çevrilən interkalasiya/deinterkalasiya potensialı batareyanın açıq dövrə gərginliyini-, interkalasiya edən/deinterkalasiya edən litium ionlarının miqdarı isə aktiv materialın tutumunu müəyyən edir. Bir çox qlobal litium{6}}ion batareya istehsalçıları və litium{7}}ion batareya təchizatçıları sabit kütləvi istehsal və ardıcıl məhsul performansına nail olmaq üçün bu material xüsusiyyətlərinə etibar edirlər.

Mənfi elektrod üçün reaksiya tənliyə (1.2) uyğun olaraq baş verir. Hər bir mol karbon (12 q) üçün maksimum 1/6 mol litium ionları birləşdirilə bilər. Buna görə də, karbon mənfi elektrod materialının nəzəri xüsusi tutumu
1/6(mol)×96485(Faraday sabiti,C/mol)/12(q)=3400C/q=372(mA·h/q) (1,5)

Gündəlik istifadədə, adsorbsiya və bərk elektrolit interfaza (SEI) filminin əmələ gəlməsi səbəbindən litium itkisini nəzərə alsaq, karbon materiallarının faktiki əldə edilə bilən xüsusi tutumu 300-345 mA·h/g təşkil edir. Aparıcı litium{3}}ion batareya paketi təchizatçıları optimallaşdırılmış qrafit tərkibi və dəqiq örtük prosesləri vasitəsilə bu səviyyəyə nail olurlar.

Müsbət elektrod materialı üçün onun tutumu çıxarıla/daxil edilə bilən litium ionlarının miqdarından asılıdır. Nümunə olaraq LiCoO₂ götürsək, hər mol LiCoO₂ üçün 1 mol litium ionu reaksiyada iştirak edə bilər. Buna görə də, LiCoO₂-in nəzəri xüsusi tutumu (nisbi molekulyar kütlə 97,86)
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(q)=985.95C/q=273.9(mA·h/q) (1,6)

Təcrübədə LiCoO₂ materialının kristal sabitliyini qorumaq üçün reaksiyada ümumiyyətlə litium ionlarının yalnız 30%-60%-i iştirak edir. Buna görə də, LiCoO₂ materialının faktiki xüsusi tutumu 137–164 mA·h/g təşkil edir. Əsas litium{6}}on batareya OEM istehsalçıları təhlükəsizliyi təmin etməklə yanaşı, dövrün ömrünü artırmaq üçün təkmil BMS vasitəsilə doldurma və boşalma dərinliyinə nəzarət edir.

Litium dəmir fosfat üçün hər mol litium dəmir fosfat üçün 1 mol litium ionu reaksiyada tam iştirak edə bilər. Buna görə də, litium dəmir fosfat materialının nəzəri və faktiki xüsusi tutumu (nisbi molekulyar kütlə 157,8)
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(q)=611.44C/q=169.8(mA·h/q) (1,7)

Təbiətdə Li/Li⁺-nin standart redoks potensialı ən aşağıdır və -3,04 V-a çatır (standart hidrogen elektrodu ilə müqayisədə). Karbon mənfi elektrod materialları üçün litium-ion çıxarılması və daxil edilməsi potensialı Li/Li⁺ tarazlıq potensialına yaxındır. Elektrokimyəvi nəzəriyyəyə görə, otaq temperaturunda karbon mənfi elektrodun elektrod potensialı E-dir

E=E dərəcəsi + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)

harada
E dərəcəsi - standart elektrod potensialı;
C(Li⁺) - elektrolit məhlulunda litium ionlarının konsentrasiyası;
C(Li,C₆) - mənfi elektrod karbonunda litium ionlarının konsentrasiyası.

Məhlulda və mənfi elektrod karbonunda litium ionunun konsentrasiyası yaxın olduqda, mənfi elektrodun elektrod potensialı standart reduksiya potensialına bərabərdir E dərəcəsi . Ümumiyyətlə, elektrolitdəki litium ionunun konsentrasiyası sabitdir, buna görə mənfi elektrod karbonunda litium ionunun konsentrasiyasında dəyişikliklər mənfi elektrod potensialında dəyişikliklərə səbəb olacaqdır. Hal-hazırda dəyişən x dəyərləri ilə Li/C₆-nin dəqiq tarazlıq potensialını hesablamaq üçün universal üsul yoxdur. Ümumiyyətlə eksperimental olaraq müəyyən edilir. Təcrübələr göstərir ki, qrafit{4}}əsaslı materialların delitiasiya potensialı ümumiyyətlə 0-0,4 V (Li/Li⁺ ilə müqayisədə) arasında dəyişir və bu, onları tətbiqlər üçün nisbətən uyğun mənfi elektrod materialları edir. Şəkil 1.2 qrafit mənfi elektrodun tipik yük{10}}boşaltma xarakteristika əyrisini göstərir.

LiCoO₂ müsbət elektrod materialı üçün litiumun interkalasiyası/deinterkalasiyası prosesi bir-fazalı reaksiyadır. Müsbət elektrod materialında litium ionunun konsentrasiyası dəyişdikcə müsbət elektrodun potensialı da dəyişir. Elektrolitdəki litium ionunun konsentrasiyasının 1 mol/L olduğunu nəzərə alsaq, (1.1) tənliyindəki reaksiya üçün müsbət elektrod potensialı E-dir.

E=E dərəcəsi + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)

harada
E dərəcəsi - standart elektrod potensialı;
C(LiCoO₂) - müsbət elektrod materialında LiCoO₂ konsentrasiyası;
C(Li⁺,CoO₂) - müsbət elektrod materialında Li⁺ və CoO₂ konsentrasiyası;
Litium ionları çıxarıldıqca müsbət elektrod potensialı azalma tendensiyası göstərir.

Litium dəmir fosfat materialının yük-boşalma prosesi delitiasiyadan sonra litium dəmir fosfatdan dəmir fosfata çevrilməsidir.

Litium dəmir fosfat elektrodunda reaksiya belədir
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)

Onun litium{0}}ion interkalasiyası/deinterkalasiyası prosesi iki-fazalı reaksiyadır. Buna görə müsbət elektrod materialında litium ion konsentrasiyasının dəyişməsi müsbət elektrodun potensial dəyişməsinə təsir göstərmir. Onun tarazlıq potensialı

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

Təmiz bərk cisimlərin konsentrasiyası 1. Onun termodinamik parametrlərinə əsasən nəzəri tarazlıq potensialı 3,4 V-dir.

Litium dəmir fosfat materialının tipik yük-boşaltma xarakteristika əyrisi Şəkil 1.3-də göstərilmişdir.

Litium{0}}İon Batareyaların Performans Xüsusiyyətləri

Digər batareyalarla müqayisədə, litium{0}}ion batareyaları litium-ditribyutorlar və sənaye müştəriləri tərəfindən geniş tanınan aşağıdakı xüsusiyyətlərə malikdir:

Yüksək enerji sıxlığı.Litium{0}}ion batareyalarının enerji sıxlığı 100 W·h/kq və 200 W·h/L və ya daha çox olur. Son üçlü katod litium{4}}ion batareyaları 200 W·h/kq kütlə xüsusi enerjiyə nail olmuşdur. Yüksək-nikel silisium-əsaslı anod materialları və litium{9}}zəngin katod materiallarından istifadə etməklə, kütlənin xüsusi enerjisinin 400 Vt·saat/kq və həcmli enerji sıxlığının 900 Vt·saat/L-ə çatacağı gözlənilir ki, bu da ənənəvi akkumulyatorları xeyli üstələyir. Buna görə də, litium{13}}ion batareyaları portativ elektron məhsullarda və elektrik nəqliyyat vasitələrində geniş istifadə olunur.

Yüksək açıq{0}}dövrə gərginliyi.Sulu olmayan üzvi həlledicilərin-istifadəsi ilə əlaqədar olaraq, tək hüceyrə gərginliyi 3,6-3,8 V-a çatır ki, bu da nikel{6}}metal hidrid və ya nikel-kadmium batareyalarından 2-3 dəfə çoxdur. Yüksək gərginlikli katod materiallarından səmərəli istifadə etməklə bir elementin iş gərginliyini 4,5–5 V-a qədər artıra bilərsiniz ki, bu da litium-ion batareyalarının yüksək enerji sıxlığının mühüm səbəblərindən biridir.

Yüksək{0}}dərəcəli yükləmə və boşaltma qabiliyyəti.Məsələn, polimer elektrolitlərdən istifadə edən bütün-bərk-hal litium{2}}ion batareyaları yaxşı təhlükəsizliklə 10C-dən yuxarı boşalma sürətinə nail ola bilər; katod kimi litium dəmir fosfatdan istifadə edən litium-ion batareyaları 100C boşalma əldə edə bilər.

Aşağı öz{0}}boşaltma dərəcəsi.Otaq temperaturunda litium-ion batareyaların aylıq-öz-özünə boşalma dərəcəsi ümumiyyətlə 10%-dən azdır, nikel-metal hidrid batareyalarından (15%) və nikel-kadmium batareyalarının yarısından aşağıdır. Litium-dəmir fosfat batareyalarının öz-boşaltma dərəcəsi ümumiyyətlə 3%-dən azdır.

Ekoloji cəhətdən təmiz,tərkibində qurğuşun, kadmium, civə və ya digər zərərli maddələr yoxdur və ətraf mühiti çirkləndirmir.

Yaddaş effekti yoxdur.Yaddaş effekti tam boşalmadan və ya tam doldurulmazdan əvvəl istifadə edildikdən sonra batareya tutumunun azaldığı fenomenə aiddir (yaddaş effekti tutumun azalması deyil). Litium{1}}ion batareyaların yaddaş effekti yoxdur.

Yaxşı təhlükəsizlik.Litium{0}}ion batareyaları ümumiyyətlə mənfi elektrod kimi karbon materiallarından istifadə edir, bu da metal litiumun potensialına yaxın elektrod potensialına malikdir. Litium ionları karbonda geri çevrilə bilər və deinterkalasiya edə bilər, litium metalının çökmə ehtimalını əhəmiyyətli dərəcədə azaldır və batareyanın təhlükəsizliyini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Son illərdə alov gecikdirən aşqarlar, alov gecikdirən-separatorlar, PTC (müsbət temperatur əmsalı) cihazları, partlayışa davamlı klapanlar, batareya idarəetmə sistemləri və digər texnologiyalar-litium-ion batareyalarının son dərəcə yüksək təhlükəsizliyini təmin etmişdir.

Uzun dövr ömrü.Litium{0}}ion batareyalarının dövriyyə müddəti ümumiyyətlə 500 dövrədən çoxdur. Litium dəmir fosfat batareyalarının dövriyyə müddəti ümumiyyətlə 2000-3000 dövrdür. Yüksək dövrə qabiliyyəti olan anod material sistemləri ilə (məsələn, litium titanat) uyğunlaşdıqda 10.000-dən çox dövrə nail olmaq olar. Bu, litium-dəmir fosfat batareyalarını enerji saxlama batareya sistemləri və böyük-miqyaslı ESS layihələri üçün ən yaxşı seçim edir.