Kādas ir litija{0}}jonu akumulatoru īpašības?
Litija{0}}jonu akumulatoru materiālu ietilpība un elektromotora spēks
Litija-jonu akumulatoru uzlādes-izlādes reakcijas laikā tikai pozitīvo un negatīvo elektrodu aktīvajos materiālos tiek veiktas litija-jonu interkalācijas/deinterkalācijas reakcijas, bet elektrolīts un citi materiāli netiek patērēti. Tāpēc potenciāls, pie kura pozitīvo un negatīvo elektrodu materiāli atgriezeniski interkalē/deinterkalē litija jonus, nosaka akumulatora atvērtās ķēdes spriegumu, un interkalējošo/deinterkalējošo litija jonu daudzums nosaka aktīvā materiāla ietilpību. Daudzi globālie litija{6}}jonu akumulatoru ražotāji un litija-jonu akumulatoru piegādātāji paļaujas uz šīm materiāla īpašībām, lai panāktu stabilu masveida ražošanu un konsekventu produktu veiktspēju.
Negatīvā elektroda gadījumā reakcija notiek saskaņā ar (1.2) vienādojumu. Uz vienu molu oglekļa (12g) var interkalēt ne vairāk kā 1/6 molu litija jonu. Tāpēc oglekļa negatīvā elektroda materiāla teorētiskā īpatnējā kapacitāte ir
1/6 (mol) × 96485 (Faraday konstante, C/mol)/12 (g) =3400 C/g=372 (mA·h/g) (1,5)
Ikdienas lietošanā, ņemot vērā litija zudumus adsorbcijas dēļ un cietās elektrolīta starpfāzes (SEI) plēves veidošanos, oglekļa materiālu faktiskā sasniedzamā īpatnējā jauda ir 300–345 mA·h/g. Vadošie litija-jonu akumulatoru komplektu piegādātāji sasniedz šo līmeni, izmantojot optimizētu grafīta sastāvu un precīzus pārklāšanas procesus.
Pozitīvā elektroda materiālam tā kapacitāte ir atkarīga no litija jonu daudzuma, ko var ekstrahēt/ievietot. Ņemot par piemēru LiCoO₂, reakcijā var piedalīties līdz 1 molam litija jonu uz vienu molu LiCoO₂. Tāpēc LiCoO₂ teorētiskā īpatnējā kapacitāte (relatīvā molekulmasa 97,86) ir
1 (mol) × 96 485 (C/mol)/97,86 (g) =985.95 C/g=273.9 (mA·h/g) (1,6)
Praksē, lai saglabātu LiCoO₂ materiāla kristālisko stabilitāti, reakcijā parasti piedalās tikai 30–60% litija jonu. Tāpēc faktiskā LiCoO₂ materiāla īpatnējā jauda ir 137–164 mA·h/g. Lielākie litija-jonu akumulatoru OEM ražotāji kontrolē uzlādes un izlādes dziļumu, izmantojot uzlaboto BMS, lai maksimāli palielinātu cikla kalpošanas laiku, vienlaikus nodrošinot drošību.
Litija dzelzs fosfātam reakcijā var pilnībā piedalīties 1 mols litija jonu uz vienu molu litija dzelzs fosfāta. Tāpēc litija dzelzs fosfāta materiāla teorētiskā un faktiskā īpatnējā kapacitāte (relatīvā molekulmasa 157,8) ir
1 (mol) × 96 485 (C/mol)/157,8 (g) =611.44 C/g=169.8 (mA·h/g) (1,7)
Dabā Li/Li⁺ standarta redokspotenciāls ir viszemākais, sasniedzot -3,04 V (pret standarta ūdeņraža elektrodu). Oglekļa negatīvo elektrodu materiāliem litija jonu ekstrakcijas un ievietošanas potenciāls ir tuvu Li / Li⁺ līdzsvara potenciālam. Saskaņā ar elektroķīmisko teoriju istabas temperatūrā oglekļa negatīvā elektroda elektroda potenciāls E ir
E=E grāds + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
kur
E grāds - standarta elektroda potenciāls;
C(Li⁺) - litija jonu koncentrācija elektrolīta šķīdumā;
C(Li,C₆) - litija jonu koncentrācija negatīvā elektroda ogleklī.
Kad litija jonu koncentrācija šķīdumā un negatīvā elektroda ogleklis ir tuvu, negatīvā elektroda elektroda potenciāls ir vienāds ar standarta reducēšanas potenciālu E grādu. Parasti litija jonu koncentrācija elektrolītā ir fiksēta, tāpēc litija jonu koncentrācijas izmaiņas negatīvā elektroda ogleklī izraisīs izmaiņas negatīvā elektroda potenciālā. Pašlaik nav universālas metodes, lai aprēķinātu precīzu Li / C₆ līdzsvara potenciālu ar mainīgām x vērtībām. Parasti to nosaka eksperimentāli. Eksperimenti liecina, ka grafīta -materiālu delitiācijas potenciāls parasti svārstās no 0 līdz 0,4 V (salīdzinājumā ar Li/Li⁺), padarot tos par salīdzinoši piemērotiem negatīvo elektrodu materiāliem lietojumiem. 1.2. attēlā parādīta grafīta negatīva elektroda tipiskā lādiņa{10}}izlādes raksturlīkne.
LiCoO₂ pozitīvajam elektroda materiālam litija interkalācijas/deinterkalācijas process ir vienfāzes reakcija. Mainoties litija jonu koncentrācijai pozitīvā elektroda materiālā, mainās arī pozitīvā elektroda potenciāls. Ņemot vērā, ka litija jonu koncentrācija elektrolītā ir 1 mol/L, reakcijai (1.1.) vienādojumā pozitīvais elektroda potenciāls E ir
E=E grāds + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
kur
E grāds - standarta elektroda potenciāls;
C(LiCoO₂) - LiCoO₂ koncentrācija pozitīvā elektroda materiālā;
C(Li⁺,CoO₂) - Li⁺ un CoO₂ koncentrācija pozitīvā elektroda materiālā;
Ekstrahējot litija jonus, pozitīvajam elektroda potenciālam ir tendence samazināties.
Litija dzelzs fosfāta materiāla uzlādes-izlādes process ir pārvēršanās no litija dzelzs fosfāta par dzelzs fosfātu pēc atdalīšanas.
Reakcija pie litija dzelzs fosfāta elektroda ir
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)
Tā litija{0}}jonu interkalācijas/deinterkalācijas process ir divu-fāžu reakcija. Tāpēc litija jonu koncentrācijas izmaiņas pozitīvā elektroda materiālā neietekmē pozitīvā elektroda potenciālās izmaiņas. Tā līdzsvara potenciāls ir
E=E grāds + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)
Tīro cietvielu koncentrācija ir 1. Pamatojoties uz tās termodinamiskajiem parametriem, teorētiskais līdzsvara potenciāls ir 3,4 V.
Litija dzelzs fosfāta materiāla tipiskā uzlādes-izlādes raksturlīkne ir parādīta 1.3. attēlā.
Litija{0}}jonu akumulatoru veiktspējas raksturlielumi
Salīdzinot ar citiem akumulatoriem, litija{0}}jonu akumulatoriem ir šādas īpašības, kuras plaši atzīst litija{1}}jonu akumulatoru izplatītāji un rūpnieciskie klienti:
Augsts enerģijas blīvums.Litija{0}}jonu akumulatoru enerģijas blīvums sasniedz 100 W·h/kg un 200 W·h/L vai vairāk. Jaunākās trīskāršā katoda litija-jonu baterijas ir sasniegušas masas īpatnējo enerģiju 200 W·h/kg. Izmantojot augstas -niķeļa silīcija-anoda materiālus un litija-bagātus katoda materiālus, paredzams, ka masas īpatnējā enerģija sasniegs 400 W·h/kg un tilpuma enerģijas blīvums 900 W·h/L, ievērojami pārsniedzot tradicionālos akumulatorus. Tāpēc litija{13}}jonu akumulatori tiek plaši izmantoti pārnēsājamos elektroniskajos produktos un elektriskajos transportlīdzekļos.
Augsts atvērtās{0}}ķēdes spriegums.Izmantojot ne-ūdens organiskos šķīdinātājus, vienas-elementa spriegums sasniedz 3,6–3,8 V, kas ir 2–3 reizes lielāks nekā niķeļa-metāla hidrīda vai niķeļa-kadmija akumulatoriem. Efektīvi izmantojot augstsprieguma katoda materiālus, vienas šūnas darba spriegumu var palielināt līdz 4,5–5 V, kas ir viens no svarīgākajiem litija -jonu akumulatoru lielā enerģijas blīvuma iemesliem.
Var uzlādēt un izlādēt lielu{0}}atrumu.Piemēram, visas -cietvielu-litija-jonu baterijas, kurās izmanto polimēru elektrolītus, ar labu drošību var sasniegt izlādes ātrumu virs 10 C; litija -jonu baterijas, kurās kā katods izmanto litija dzelzs fosfātu, var sasniegt 100C izlādi.
Zems pašizlādes līmenis-.Istabas temperatūrā litija-jonu akumulatoru ikmēneša pašizlādes ātrums parasti ir mazāks par 10%, mazāks nekā niķeļa-metāla hidrīda akumulatoriem (15%) un uz pusi mazāks nekā niķeļa-kadmija akumulatoriem. Litija dzelzs fosfāta akumulatoru pašizlādes līmenis parasti ir mazāks par 3%.
Videi draudzīgs,nesatur svinu, kadmiju, dzīvsudrabu vai citas kaitīgas vielas un nepiesārņo vidi.
Nav atmiņas efekta.Atmiņas efekts attiecas uz parādību, kad akumulatora kapacitāte samazinās, kad tas tiek uzlādēts, pirms tas ir pilnībā izlādējies vai tiek izmantots pirms pilnīgas uzlādes (atmiņas efekts nav jaudas samazināšanās). Litija{1}}jonu akumulatoriem nav atmiņas efekta.
Laba drošība.Litija{0}}jonu akumulatoros parasti izmanto oglekļa materiālus kā negatīvo elektrodu, kura elektroda potenciāls ir tuvs metāliskā litija potenciālam. Litija joni var atgriezeniski interkalēties un deinterkalēties ogleklī, ievērojami samazinot litija metāla nogulsnēšanās iespējamību un būtiski uzlabojot akumulatora drošību. Pēdējos gados liesmas-piedevas, liesmu-aizturošie separatori, PTC (pozitīvā temperatūras koeficienta) ierīces, sprādziendrošas-vārsti, akumulatoru vadības sistēmas un citas tehnoloģijas ir nodrošinājušas īpaši augstu litija-jonu akumulatoru drošību.
Ilgs cikla mūžs.Litija{0}}jonu akumulatoru cikls parasti ir vairāk nekā 500 ciklu. Litija dzelzs fosfāta bateriju cikla ilgums parasti ir 2000–3000 cikli. Saskaņojot ar anoda materiālu sistēmām ar augstu cikla spēju (piemēram, litija titanātu), var sasniegt vairāk nekā 10 000 ciklus. Tas padara litija dzelzs fosfāta akumulatorus par labāko izvēli enerģijas uzglabāšanas akumulatoru sistēmām un liela mēroga -ESS projektiem.
