Ievads litija{0}}jonu akumulatoros
Litija{0}}jonu akumulatoru darbības princips
Litija{0}}jonu akumulators galvenokārt sastāv no pozitīva elektroda, negatīva elektroda, elektrolīta, kas vada litija jonus, unatdalītājsun apvalks, kas atdala pozitīvos un negatīvos elektrodus. Pozitīvā elektroda materiāls parasti ir savienojums, kas ļauj atgriezeniski ievietot un ekstrahēt litija jonus, piemēram, litija kobalta oksīdu (LiCoO2), litija niķeļa oksīdu (LiNiO₂), litija mangāna oksīdu (LiMn₂O4) vai trīskomponentus materiālus. (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). Elektrolīts sastāv no litija sāļiem (parasti litija sāļi ietver LiClO₄, LiPF₆, LiBF4, LiBOB utt.), kas izšķīdināti noteiktā šķīdinātājā (galvenokārt etilēnkarbonāta (EC), dietilkarbonāta (DEC), dimetilkarbonāta (DMC), propilēnkarbonāta (PC) maisījumā noteiktā proporcijā. Atdalītāja materiāls parasti ir poliolefīna sveķi, parasti tiek izmantotas viena -slāņa vai daudzslāņu polipropilēna (PP) un polietilēna (PE) mikroporainas membrānas, piemēram, Celgard 2300 separators. Negatīvā elektrodā parasti tiek izmantoti materiāli, kas spēj interkalēt litiju, piemēram, naftas kokss, tīrs grafīts un slāņveida grafīta ogleklis. Reakcija litija{10}}jonu akumulatorā, izmantojot oglekli (C₆) kā negatīvo elektrodu un pārejas metāla oksīdu LiMeO₂ kā pozitīvo elektrodu, ir šāda.
Uzlādes laikā:
Izlādes laikā:
Uzlādes laikā litija joni tiek atbrīvoti no pozitīvā elektroda un ievietoti negatīvajā elektrodā; izlādes laikā litija joni tiek atbrīvoti no negatīvā elektroda un ievietoti pozitīvajā elektrodā. Citiem vārdiem sakot, uzlādes un izlādes laikā litija joni pārvietojas uz priekšu un atpakaļ starp pozitīvo un negatīvo elektrodu, līdzīgi kā šūpuļkrēslā. Tāpēc litija-jonu akumulatorus sauc arī par "šūpuļkrēslu akumulatoriem". To darbības principu var ilustrēt 1.1. attēlā.
Normālos uzlādes un izlādes apstākļos litija jonu ievietošana un ekstrakcija starp slāņveida oglekļa materiāliem un oksīda daļiņām vai starp slāņiem litija -jonu akumulatoros parasti tikai izraisa izmaiņas starpslāņu atstatumā un nesabojā kristāla struktūru. Uzlādes un izlādes laikā pozitīvo un negatīvo elektrodu materiālu ķīmiskās struktūras būtībā paliek nemainīgas. Tāpēc no uzlādes-izlādes reakcijas atgriezeniskuma viedokļa litija jonu ievietošana un ekstrakcija akumulatora materiālos ir ideāls reakcijas process. Pamatojoties uz šīm īpašībām, litija{5}}jonu akumulatori ir labāki par niķeļa-kadmija un niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem.
Litija{0}}jonu akumulatoru klasifikācija
Litija{0}}jonu baterijas var klasificēt pēc izmantotā katoda materiāla, izskata un izmēra, elementu ražošanas metodes, iepakojuma veida un pielietojuma īpašībām.
Atkarībā no izmantotā katoda materiāla litija{0}}jonu akumulatorus var iedalīt litija kobalta oksīda akumulatoros, litija mangāna oksīda akumulatoros, trīskāršā litija akumulatoros un litija dzelzs fosfāta akumulatoros.
Litija kobalta oksīda akumulatoru nominālais spriegums ir 3,7 V un darba sprieguma diapazons ir 2,4–4,2 V. Litija kobalta oksīda akumulatoriem ir stabila struktūra, augsta īpatnējā kapacitāte un izcila kopējā veiktspēja, taču to drošība ir zema un izmaksas ir augstas, galvenokārt tiek izmantotas mazos un vidējos{4}}izmēra elementos. Pēdējos gados ir izstrādāti augstsprieguma -litija kobalta oksīda materiāli, kas var palielināt akumulatora augšējo robežspriegumu līdz 4,3 V vai 4,35 V, tādējādi efektīvi uzlabojot akumulatora jaudu un enerģijas blīvumu. Pašlaik litija kobalta oksīda akumulatoriem ir lielākais tilpuma enerģijas blīvums, kas sasniedz 550 Wh/kg, tāpēc tās ir vienīgā izvēle augstas klases mobilo tālruņu un citu elektronisko izstrādājumu darbināšanai.
Litija mangāna oksīda (MMANO) akumulatoru nominālais spriegums ir 3,8 V un darba sprieguma diapazons ir no 2,5 V līdz 4,2 V. Aizsardzības pret pārlādēšanu spriegums ir 4,28 V ± 0,025 V, un pār{6}}izlādes aizsardzības spriegums ir 2,5 V ± 0,1 V. MMANO akumulatori ir zemas{10}}izmaksas, un tiem ir laba drošība. Tomēr pats litija mangāna oksīda materiāls ir salīdzinoši nestabils un pakļauts sadalīšanai, radot gāzi un uzbriest. Tā cikls samazinās salīdzinoši ātri, tā kalpošanas laiks ir salīdzinoši īss, un tā veiktspēja augstā{13}}temperatūrā ir slikta. To galvenokārt izmanto zemu -izmaksu, vidēja-līdz-liela{18}}izmēra elementos enerģijas akumulatoru ražošanai.
Trīskāršo litija{0}}jonu (TLC) akumulatoru nominālais spriegums ir 3,6 V un darba sprieguma diapazons ir no 2,75 V līdz 4,2 V. Aizsardzības pret pārlādēšanu spriegums ir 4,28 V ± 0,025 V, un pār{7}}izlādes aizsardzības spriegums ir 2,75 V ± 0,1 V. TLC akumulatoriem ir laba vispārējā veiktspēja, tie ir lētāki nekā litija kobalta oksīds (LCO), un tie piedāvā uzlabotu drošību. Tos var izmantot jaudas akumulatoros, un to tirgus daļa katodu materiālu tirgū katru gadu palielinās. Tirgū pakāpeniski tiek pieņemti mazi litija{13}}jonu akumulatori, kuros izmantoti trīskāršā litija{14}}jonu materiāli. Trīskāršos materiālus var arī sajaukt ar litija kobalta oksīdu un litija mangāna oksīdu, lai tos izmantotu tērauda -korpusā, alumīnija-korpusā, maisiņā, polimērā un cilindriskos litija{18}}jonu akumulatoros, kas var ievērojami samazināt akumulatora izmaksas un uzlabot vispārējo veiktspēju. Pašlaik trīskāršā materiāla akumulatori var sasniegt 180 Wh/kg enerģijas blīvumu (26 650 tērauda korpusa akumulatori var sasniegt 4600 mAh/kg ar 90 g svaru), nodrošinot nepārprotamu izmaksu efektivitāti.
Litija dzelzs fosfāta (LFP) akumulatoru nominālais spriegums ir 3,2 V un darba sprieguma diapazons ir 2,5–3,75 V. Aizsardzības pret pārlādēšanu spriegums ir 3,75 V±0,025 V, un pār-izlādes aizsardzības spriegums ir 2,5 V±0,1 V. Lielākā LFP akumulatoru priekšrocība ir pozitīvā elektroda materiāla stabilitāte un nesadalīšanās{10}}, nodrošinot tiem nepārspējamu drošību salīdzinājumā ar citām pozitīvo elektrodu materiālu sistēmām. LFP akumulatoriem ir ilgs darbības laiks, tie ir bagāti ar resursiem un ir videi draudzīgi. Tomēr tiem ir zema izlādes platforma un slikta veiktspēja zemā{13}}temperatūrā.
Atkarībā no izskata un izmēra litija{0}}jonu akumulatorus var iedalīt cilindriskos un prizmatiskos akumulatoros utt.
Pamatojoties uz elementu ražošanas metodi, litija{0}}jonu akumulatorus var iedalīt baterijās (cilindriskai un plakanai brūcei), saliktos akumulatoros utt.
Atkarībā no iepakojuma materiāla veida litija{0}}jonu akumulatorus var iedalīt tērauda-korpusa akumulatoros, alumīnija-korpusa akumulatoros, plastmasas-korpusa akumulatoros, mīkstajos-pakešu akumulatoros utt.
Pamatojoties uz lietojuma raksturlielumiem, litija{0}}jonu akumulatorus var iedalīt augstas-temperatūras akumulatoros, zemas-temperatūras akumulatoros, jaudas akumulatoros un jaudas akumulatoros utt.
Atkarībā no pielietojuma jomas litija{0}}jonu akumulatorus var klasificēt kā rezerves akumulatorus, strāvas akumulatorus un enerģijas uzglabāšanas akumulatorus.
Litija{0}}jonu akumulatoru lietojumi
Var teikt, ka kopš akumulatora izgudrošanas neviens cits akumulatora izstrādājums nav izmantots tik ātri un plaši kā litija{0}}jonu akumulators. Sākot ar datoru centrālo procesoru pulksteņa barošanas avotu un beidzot ar lielajiem litija{2}}jonu akumulatoriem, ko izmanto automašīnās un zemūdenēs, jaudas atšķirība ir vairāk nekā 10 miljonus reižu. Tiem ir plašs pielietojums ikdienas dzīvē, medicīnas iekārtās, elektriskajos transportlīdzekļos, enerģijas uzkrāšanas spēkstacijās, aviācijā un militārajā jomā.
Pēc vairāk nekā 10 gadu popularizēšanas litija-jonu akumulatori ir kļuvuši par vienīgo barošanas sistēmu, ko plaši izmanto digitālajos produktos, piemēram, mobilajos tālruņos un klēpjdatoros. Augstās īpatnējās enerģijas dēļ tos plaši izmanto arī elektroinstrumentos, elektriskajos velosipēdos, elektriskajos autobusos, vēja un saules enerģijas uzkrāšanas elektrostacijās, mobilo sakaru bāzes stacijās, kalnrūpniecības lampu barošanas avotos, kalnrūpniecības glābšanas kapsulu barošanas avotos, militāros individuālos karavīru barošanas avotos, radioaparātos, satelīta akumulatoros un daudzās citās lietojumprogrammās. Saskaņā ar statistiku 2011. gadā Ķīnas litija akumulatoru ražošanas nozares tirgus apjoms sasniedza 39,7 miljardus juaņu, kas ir par 43% gada -salīdzinājumā ar-gadu, un litija bateriju gada izlaide sasniedza 2,97 miljardus vienību, kas ir par 28,6% gadā,{10}}salīdzinājumā ar{11}}gada pieaugumu. Litija bateriju rūpniecība ir kļuvusi par svarīgu valsts ekonomikas industriālo virzienu²¹.
