Kio Estas Karakterizaĵoj de Litio-jonaj Baterioj?
Kapacito kaj Elektromova Forto de Litio-jona Bateria Materialoj
Dum la ŝargo-malŝarĝa reago de litiaj-jonaj kuirilaroj, nur la aktivaj materialoj de la pozitivaj kaj negativaj elektrodoj spertas litiajn-jonajn interkalajn/seninterkalajn reagojn, dum la elektrolito kaj aliaj materialoj ne estas konsumitaj. Tial, la potencialo ĉe kiu la pozitivaj kaj negativaj elektrodmaterialoj reigeble interkruciĝas/malinterkaligas litiojonojn determinas la malferman-cirkvittension de la baterio, kaj la kvanto de litiojonoj interkaŝantaj/malinterkalantaj determinas la kapaciton de la aktiva materialo. Multaj tutmondaj litio-jonaj baterioproduktantoj kaj litio-jonaj baterioprovizantoj dependas de ĉi tiuj materialaj karakterizaĵoj por atingi stabilan amasproduktadon kaj konsekvencan produktan rendimenton.
Por la negativa elektrodo, la reago okazas laŭ Ekvacio (1.2). Per mole da karbono (12g), maksimume 1/6 mol da litiojonoj povas esti interkalita. Tial, la teoria specifa kapablo de karbona negativa elektroda materialo estas
1/6(mol)×96485(Faraday-konstanto,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
En ĉiutaga uzo, konsiderante litian perdon pro adsorbado kaj la formado de la solida elektrolita interfaza filmo (SEI), la reala atingebla specifa kapablo de karbonaj materialoj estas 300–345 mA·h/g. Ĉefaj litiaj-jonaj bateriaj provizantoj atingas ĉi tiun nivelon per optimumigita grafita formuliĝo kaj precizaj tegprocezoj.
Por la pozitiva elektrodmaterialo, ĝia kapacito dependas de la kvanto de litiojonoj kiuj povas esti ĉerpitaj/enigitaj. Prenante LiCoO₂ kiel ekzemplon, ĝis 1 mol da litiojonoj per mole da LiCoO₂ povas partopreni en la reago. Tial, la teoria specifa kapacito de LiCoO₂ (relativa molekula maso 97.86) estas
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
En praktiko, por konservi la kristalan stabilecon de LiCoO₂-materialo, ĝenerale nur 30%-60% de la litiojonoj partoprenas en la reago. Tial, la fakta specifa kapacito de LiCoO₂ materialo estas 137-164 mA·h/g. Gravaj litio-jona baterio OEM-fabrikistoj kontrolas la profundon de ŝargo kaj malŝarĝo per altnivela BMS por maksimumigi ciklovivon dum garantio de sekureco.
Por litia ferfosfato, 1 mol da litiojonoj po mole da litia ferfosfato povas plene partopreni en la reago. Tial, la teoria kaj fakta specifa kapablo de litia ferfosfata materialo (relativa molekula maso 157.8) estas
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
En naturo, la norma redoks-potencialo de Li/Li⁺ estas la plej malsupra, atingante -3.04 V (vs. norma hidrogenelektrodo). Por karbonnegativaj elektrodmaterialoj, la potencialo de litijona ekstraktado kaj enmeto estas proksime de la Li/Li⁺ ekvilibropotencialo. Laŭ elektrokemia teorio, ĉe ĉambra temperaturo, la elektrodpotencialo E de la karbona negativa elektrodo estas
E=E-grado + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
kie
E-grada - norma elektroda potencialo;
C(Li⁺) - koncentriĝo de litiojonoj en la elektrolitsolvaĵo;
C(Li,C₆) - koncentriĝo de litiojonoj en la negativa elektroda karbono.
Kiam la litiojonkoncentriĝo en la solvaĵo kaj en la negativa elektroda karbono estas proksimaj, la elektrodpotencialo de la negativa elektrodo egalas al la norma reduktopotencialo E grado. Ĝenerale, la litiojonkoncentriĝo en la elektrolito estas fiksita, do ŝanĝoj en litiojonkoncentriĝo en la negativa elektroda karbono kaŭzos ŝanĝojn en la negativa elektrodpotencialo. Ekzistas nuntempe neniu universala metodo por kalkuli la precizan ekvilibropotencialon de Li/C₆ kun ŝanĝiĝantaj x-valoroj. Ĝi estas ĝenerale determinita eksperimente. Eksperimentoj montras ke la delitiation potencialo de grafito-bazitaj materialoj ĝenerale varias inter 0-0.4 V (vs. Li/Li⁺), igante ilin relative taŭgaj negativaj elektrodmaterialoj por aplikoj. Figuro 1.2 montras la tipan ŝargan-malŝarĝan karakterizan kurbon de grafita negativa elektrodo.
Por LiCoO₂ pozitiva elektrodmaterialo, la litia interkalado/malinterkaladprocezo estas ununura-faza reago. Ĉar la litiojonkoncentriĝo en la pozitiva elektroda materialo ŝanĝiĝas, la potencialo de la pozitiva elektrodo ankaŭ ŝanĝiĝas. Konsiderante la litijonkoncentriĝon en la elektrolito estas 1 mol/L, por la reago en Ekvacio (1.1), la pozitiva elektrodpotencialo E estas
E=E-grado + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
kie
E-grada - norma elektroda potencialo;
C(LiCoO₂) - koncentriĝo de LiCoO₂ en la pozitiva elektrodmaterialo;
C(Li⁺,CoO₂) - koncentriĝo de Li⁺ kaj CoO₂ en la pozitiva elektrodmaterialo;
Ĉar litiojonoj estas ĉerpitaj, la pozitiva elektrodpotencialo montras malsupreniĝan tendencon.
La ŝarga-procezo de litia ferfosfata materialo estas la konvertiĝo de litia ferfosfato al ferfosfato post delitiĝo.
La reago ĉe la litia ferfosfata elektrodo estas
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Ĝia litia-jona interkalado/malinterkaligo estas dufaza reago. Tial, ŝanĝoj en litiojonkoncentriĝo en la pozitiva elektroda materialo ne influas la eblan ŝanĝon de la pozitiva elektrodo. Ĝia ekvilibra potencialo estas
E=E-grado + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
La koncentriĝo de puraj solidoj estas 1. Surbaze de ĝiaj termodinamikaj parametroj, la teoria ekvilibra potencialo estas 3,4 V.
La tipa ŝargo-malŝarĝa karakteriza kurbo de litia ferfosfata materialo estas montrita en Figuro 1.3.
Efikecaj Karakterizaĵoj de Litio-jonaj Baterioj
Kompare kun aliaj kuirilaroj, litio-jonaj kuirilaroj havas la jenajn trajtojn, kiuj estas vaste rekonitaj de litio-jonaj kuirilaroj kaj industriaj klientoj:
Alta energia denseco.La energia denseco de litio-jonaj kuirilaroj atingas 100 W·h/kg kaj 200 W·h/L aŭ pli. Lastatempaj ternaraj katodaj litio-jonaj baterioj atingis masan specifan energion de 200 W·h/kg. Uzante alt-nikel-silicio-anodmaterialojn kaj litio-riĉajn katodajn materialojn, la mas-specifa energio estas atendita atingi 400 W·h/kg kaj la volumetra energidenseco 900 W·h/L, multe superante tradiciajn bateriojn. Tial, litio-jonaj baterioj estas vaste uzataj en porteblaj elektronikaj produktoj kaj elektraj veturiloj.
Alta malferma-cirkvita tensio.Pro la uzo de ne-akvaj organikaj solviloj, la unu-ĉela tensio atingas 3,6–3,8 V, kio estas 2–3 fojojn tiu de nikel-metalhidrido aŭ nikel-kadmiokuirilaroj. Efike uzi alt-tensiajn katodmaterialojn povas pliigi la funkcian tension de ununura ĉelo al 4.5–5 V, kio estas unu el la gravaj kialoj de la alta energidenseco de litio-jonbaterioj.
Kapabla je alta-kurzo kaj malŝarĝo.Ekzemple, ĉiuj-solidaj-litiaj-jonaj baterioj uzantaj polimerelektrolitojn povas atingi senŝargiĝrapidecojn super 10C kun bona sekureco; litio-jonaj kuirilaroj uzantaj litian ferfosfaton kiel la katodo povas atingi 100C malŝarĝon.
Malalta mem{0}}elflua indico.Ĉe ĉambra temperaturo, la monata mem-senŝargiĝo de litio-jonaj baterioj estas ĝenerale malpli ol 10%, pli malalta ol nikelo-metalhidridaj baterioj (15%) kaj duono de tiu de nikelo-kadmiobaterioj. La mem-malŝarĝa indico de litiaj ferfosfataj kuirilaroj estas ĝenerale malpli ol 3%.
Ekologia amika,ne enhavanta plumbon, kadmion, hidrargon aŭ aliajn malutilajn substancojn, kaj ne poluas la medion.
Neniu memorefekto.Memorefiko rilatas al la fenomeno kie la bateriokapacito malpliiĝas kiam reŝargite antaŭ esti plene malŝarĝita aŭ uzita antaŭ esti plene ŝargita (memorefiko ne estas kapacitmalkresko). Litio-jonaj kuirilaroj ne havas memorefikon.
Bona sekureco.Litio-jonaj baterioj ĝenerale uzas karbonmaterialojn kiel negativan elektrodon, kiu havas elektrodpotencialon proksiman al tiu de metala litio. Litiaj jonoj povas reigeble interkruciĝi kaj malinterkaliĝi en karbono, multe reduktante la probablon de litia metala deponaĵo kaj signife plibonigante bateria sekureco. En la lastaj jaroj, flamo-aldonaĵoj, flamo-apartigiloj, PTC (pozitiva temperaturkoeficiento) aparatoj, eksplod-rezistaj valvoj, bateriaj administradsistemoj kaj aliaj teknologioj certigis ekstreme altan sekurecon de litio-jonaj baterioj.
Longa ciklo vivo.La cikla vivo de litio-jonaj kuirilaroj ĝenerale estas pli ol 500 cikloj. La ciklovivo de litiaj ferfosfataj baterioj estas ĝenerale 2000-3000 cikloj. Se kongruite kun anodaj materialaj sistemoj kun alta ciklo-kapablo (kiel litia titanato), pli ol 10,000 cikloj povas esti atingitaj. Ĉi tio faras litiajn ferfosfatajn bateriojn la plej bona elekto por energi-stokaj bateriosistemoj kaj grandskalaj-projektoj de ESS.
