Jaké jsou vlastnosti lithiových-iontových baterií?

Kapacita a elektromotorická síla lithiových-iontových baterií

Během nabíjecí-vybíjecí reakce lithium-iontových baterií podléhají interkalačním/deinterkalačním reakcím lithium-iontů pouze aktivní materiály kladných a záporných elektrod, zatímco elektrolyt a další materiály se nespotřebovávají. Potenciál, při kterém materiály kladné a záporné elektrody reverzibilně interkalují/deinterkalují ionty lithia, tedy určuje napětí v otevřeném -obvodu baterie a množství iontů lithia, které interkalují/deinterkalují, určuje kapacitu aktivního materiálu. Mnoho světových výrobců lithium-iontových baterií a dodavatelů lithium-iontových baterií spoléhá na tyto materiálové vlastnosti, aby dosáhli stabilní hromadné výroby a konzistentního výkonu produktů.

U záporné elektrody probíhá reakce podle rovnice (1.2). Na mol uhlíku (12 g) lze interkalovat maximálně 1/6 molu iontů lithia. Teoretická specifická kapacita uhlíkového negativního elektrodového materiálu je tedy
1/6(mol)×96485(Faradayova konstanta,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

Při každodenním používání, vezmeme-li v úvahu ztráty lithia v důsledku adsorpce a tvorby mezifázového filmu pevného elektrolytu (SEI), je skutečná dosažitelná specifická kapacita uhlíkových materiálů 300–345 mA·h/g. Přední dodavatelé lithium-iontových baterií dosahují této úrovně díky optimalizovanému složení grafitu a přesným procesům povrchové úpravy.

U materiálu kladné elektrody závisí jeho kapacita na množství iontů lithia, které lze extrahovat/vložit. Vezmeme-li jako příklad LiCoO2, reakce se může zúčastnit až 1 mol iontů lithia na mol LiCoO2. Proto teoretická specifická kapacita LiCoO₂ (relativní molekulová hmotnost 97,86) je
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

V praxi se pro udržení krystalické stability materiálu LiCoO₂ obvykle reakce účastní pouze 30 % až 60 % iontů lithia. Proto je skutečná specifická kapacita LiCoO₂ materiálu 137–164 mAh·h/g. Hlavní výrobci OEM lithium-iontových baterií kontrolují hloubku nabití a vybití pomocí pokročilého BMS, aby maximalizovali životnost cyklu a zároveň zajistili bezpečnost.

V případě fosforečnanu lithného a železnatého se může reakce plně zúčastnit 1 mol iontů lithia na mol fosforečnanu lithného a železnatého. Proto teoretická a skutečná specifická kapacita materiálu fosforečnanu lithného a železa (relativní molekulová hmotnost 157,8) je
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)

V přírodě je standardní redoxní potenciál Li/Li⁺ nejnižší a dosahuje -3,04 V (oproti standardní vodíkové elektrodě). U uhlíkových negativních elektrodových materiálů je potenciál lithium-iontové extrakce a vkládání blízko rovnovážnému potenciálu Li/Li⁺. Podle elektrochemické teorie je při pokojové teplotě elektrodový potenciál E uhlíkové záporné elektrody

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

kde
E stupeň - standardní elektrodový potenciál;
C(Li⁺) - koncentrace iontů lithia v roztoku elektrolytu;
C(Li,C₆) - koncentrace iontů lithia v uhlíku záporné elektrody.

Když jsou koncentrace lithných iontů v roztoku a uhlíku záporné elektrody blízko, elektrodový potenciál záporné elektrody se rovná standardnímu redukčnímu potenciálu E stupně. Obecně je koncentrace lithných iontů v elektrolytu pevná, takže změny v koncentraci lithných iontů v uhlíku záporné elektrody způsobí změny v záporném potenciálu elektrody. V současné době neexistuje žádná univerzální metoda pro výpočet přesného rovnovážného potenciálu Li/C₆ s měnícími se hodnotami x. Obecně se stanovuje experimentálně. Experimenty ukazují, že delitiační potenciál materiálů na bázi grafitu-se obecně pohybuje mezi 0–0,4 V (vs. Li/Li⁺), což z nich činí relativně vhodné materiály pro záporné elektrody pro aplikace. Obrázek 1.2 ukazuje typickou-charakteristiku náboje a výboje grafitové záporné elektrody.

U materiálu kladné elektrody LiCoO₂ je proces interkalace/deinterkalace lithia jednofázovou reakcí. Jak se mění koncentrace lithných iontů v materiálu kladné elektrody, mění se i potenciál kladné elektrody. Vzhledem k tomu, že koncentrace lithných iontů v elektrolytu je 1 mol/l, pro reakci v rovnici (1.1) je kladný elektrodový potenciál E

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

kde
E stupeň - standardní elektrodový potenciál;
C(LiCoO₂) - koncentrace LiCoO₂ v materiálu kladné elektrody;
C(Li⁺,CoO₂) - koncentrace Li⁺ a CoO₂ v materiálu kladné elektrody;
Jak jsou ionty lithia extrahovány, kladný elektrodový potenciál vykazuje klesající trend.

Proces nabíjení-vybíjení materiálu fosforečnanu lithného a železnatého je přeměna fosforečnanu lithného a železnatého na fosforečnan železitý po delitiaci.

Reakce na elektrodě fosforečnanu lithného je
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)

Jeho lithium-iontový interkalační/deinterkalační proces je dvoufázová-reakce. Proto změny v koncentraci lithných iontů v materiálu kladné elektrody neovlivňují změnu potenciálu kladné elektrody. Jeho rovnovážný potenciál je

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

Koncentrace čistých pevných látek je 1. Na základě jeho termodynamických parametrů je teoretický rovnovážný potenciál 3,4 V.

Typická křivka náboje-výboje materiálu fosforečnanu lithného je znázorněna na obrázku 1.3.

Výkonové charakteristiky lithiových-iontových baterií

Ve srovnání s jinými bateriemi mají lithium-iontové baterie následující vlastnosti, které jsou široce uznávány distributory lithium-iontových baterií a průmyslovými zákazníky:

Vysoká hustota energie.Hustota energie lithium-iontových baterií dosahuje 100 W·h/kg a 200 W·h/l nebo více. Nedávné ternární katodové lithium-iontové baterie dosáhly hmotnostně specifické energie 200 W·h/kg. Očekává se, že při použití materiálů anod s vysokým obsahem -nikl-křemíku-a katodových materiálů bohatých na lithium- dosáhne hmotnostně specifická energie 400 W·h/kg a objemová hustota energie 900 W·h/L, což daleko převyšuje tradiční baterie. Proto se lithium{13}}iontové baterie široce používají v přenosných elektronických produktech a elektrických vozidlech.

Vysoké napětí otevřeného-obvodu.Díky použití ne-vodných organických rozpouštědel dosahuje napětí jednoho-článku 3,6–3,8 V, což je 2–3krát více než u nikl-metalhydridových nebo nikl{7}}kadmiových baterií. Efektivní využití vysokonapěťových katodových materiálů může zvýšit provozní napětí jednoho článku na 4,5–5 V, což je jeden z důležitých důvodů vysoké energetické hustoty lithium{12}}iontových baterií.

Schopnost nabíjení a vybíjení vysokou-rychlostí.Například všechny -pevné-lithium{2}}iontové baterie využívající polymerní elektrolyty mohou s dobrou bezpečností dosahovat rychlosti vybíjení nad 10 °C; lithium-iontové baterie využívající fosforečnan lithný jako katodu mohou dosáhnout vybití 100C.

Nízká míra samovolného-vybíjení.Při pokojové teplotě je měsíční samovolné vybíjení lithium-iontových baterií obecně nižší než 10 %, tedy nižší než u nikl-metalhydridových baterií (15 %) a poloviční než u nikl-kadmiových baterií. Rychlost samovybíjení lithium-železo-fosfátových baterií je obecně nižší než 3 %.

šetrný k životnímu prostředí,neobsahuje olovo, kadmium, rtuť ani jiné škodlivé látky a neznečišťuje životní prostředí.

Žádný paměťový efekt.Paměťový efekt se týká jevu, kdy se kapacita baterie snižuje při nabíjení před úplným vybitím nebo používání před úplným nabitím (paměťový efekt není úbytek kapacity). Lithium-iontové baterie nemají paměťový efekt.

Dobrá bezpečnost.Lithium-iontové baterie obecně používají uhlíkové materiály jako zápornou elektrodu, která má elektrodový potenciál blízký potenciálu kovového lithia. Lithiové ionty mohou reverzibilně interkalovat a deinterkalovat v uhlíku, což výrazně snižuje pravděpodobnost usazování kovu lithia a výrazně zlepšuje bezpečnost baterie. V posledních letech-aditiva zpomalující hoření, oddělovače-zpomalující hoření, zařízení PTC (pozitivní teplotní koeficient), ventily proti výbuchu-, systémy správy baterií a další technologie zajistily extrémně vysokou bezpečnost lithium-iontových baterií.

Dlouhá životnost cyklu.Životnost lithium{0}iontových baterií je obecně více než 500 cyklů. Životnost lithium-železofosfátových baterií je obecně 2000–3000 cyklů. Při spojení se systémy anodových materiálů s vysokou schopností cyklu (jako je lithium titanát) lze dosáhnout více než 10 000 cyklů. Díky tomu jsou lithium-železofosfátové baterie nejlepší volbou pro systémy akumulátorových baterií a velké-projekty ESS.