ویژگی‌های باتری‌های لیتیوم{0} یون چیست؟

ظرفیت و نیروی الکتروموتور مواد باتری لیتیوم{0} یون

در طول واکنش شارژ-واکنش تخلیه باتری‌های لیتیوم-، فقط مواد فعال الکترودهای مثبت و منفی تحت واکنش‌های بینابینی/تداخلی لیتیوم-یون قرار می‌گیرند، در حالی که الکترولیت و سایر مواد مصرف نمی‌شوند. بنابراین، پتانسیلی که در آن مواد الکترود مثبت و منفی به طور برگشت‌پذیر یون‌های لیتیوم را در هم می‌پیوندند/می‌پاشند، ولتاژ مدار باز باتری را تعیین می‌کند، و مقدار یون‌های لیتیومی که در هم می‌آیند/تداخل می‌کنند، ظرفیت ماده فعال را تعیین می‌کند. بسیاری از تولیدکنندگان جهانی باتری‌های لیتیوم{6}} و تأمین‌کنندگان باتری‌های لیتیوم{{7} یونی برای دستیابی به تولید انبوه پایدار و عملکرد ثابت محصول به این ویژگی‌های مواد متکی هستند.

برای الکترود منفی، واکنش طبق رابطه (1.2) رخ می دهد. به ازای هر مول کربن (12 گرم)، حداکثر 1/6 مول یون لیتیوم را می توان درون آن قرار داد. بنابراین، ظرفیت ویژه نظری مواد الکترود کربن منفی است
1/6 (mol)×96485 (ثابت فارادی، C/mol)/12 (g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)

در استفاده روزانه، با در نظر گرفتن از دست دادن لیتیوم به دلیل جذب و تشکیل لایه الکترولیت جامد اینترفاز (SEI)، ظرفیت ویژه واقعی قابل دستیابی مواد کربنی 300-345 mA·h/g است. تامین کنندگان پیشرو بسته باتری لیتیوم{3}}این سطح را از طریق فرمولاسیون بهینه گرافیت و فرآیندهای پوشش دقیق به دست می آورند.

برای ماده الکترود مثبت، ظرفیت آن به مقدار یون لیتیومی که می‌توان استخراج/ وارد کرد بستگی دارد. با در نظر گرفتن LiCoO2 به عنوان مثال، حداکثر 1 مول یون لیتیوم در هر مول LiCoO2 می تواند در واکنش شرکت کند. بنابراین، ظرفیت ویژه نظری LiCoO2 (جرم مولکولی نسبی 97.86) است.
1(mol)×96485 (C/mol)/97.86 (g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)

در عمل، برای حفظ ثبات کریستالی مواد LiCoO2، به طور کلی تنها 30٪ تا 60٪ از یون های لیتیوم در واکنش شرکت می کنند. بنابراین، ظرفیت ویژه واقعی مواد LiCoO2 137-164 mA·h/g است. تولیدکنندگان اصلی باتری‌های لیتیوم{6} یون OEM عمق شارژ و دشارژ را از طریق BMS پیشرفته کنترل می‌کنند تا عمر چرخه را به حداکثر برسانند و در عین حال ایمنی را تضمین کنند.

برای فسفات آهن لیتیوم، 1 مول یون لیتیوم در هر مول فسفات آهن لیتیوم می تواند به طور کامل در واکنش شرکت کند. بنابراین، ظرفیت ویژه نظری و واقعی ماده فسفات آهن لیتیوم (جرم مولکولی نسبی 157.8) است.
1 (mol)×96485 (C/mol)/157.8 (g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)

در طبیعت، پتانسیل ردوکس استاندارد Li/Li+ کمترین مقدار است و به -3.04 V (در مقایسه با الکترود هیدروژن استاندارد) می‌رسد. برای مواد الکترود کربن منفی، پتانسیل استخراج و درج لیتیوم یون نزدیک به پتانسیل تعادل Li/Li+ است. طبق نظریه الکتروشیمیایی، در دمای اتاق، پتانسیل الکترود E الکترود کربن منفی است

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

کجا
درجه E - پتانسیل الکترود استاندارد.
غلظت C(Li+) - یون لیتیوم در محلول الکترولیت.
غلظت C(Li,C6)- یون لیتیوم در کربن الکترود منفی.

هنگامی که غلظت یون لیتیوم در محلول و کربن الکترود منفی نزدیک است، پتانسیل الکترود الکترود منفی با پتانسیل کاهش استاندارد E درجه برابر است. به طور کلی، غلظت یون لیتیوم در الکترولیت ثابت است، بنابراین تغییرات در غلظت یون لیتیوم در کربن الکترود منفی باعث تغییر در پتانسیل الکترود منفی می شود. در حال حاضر هیچ روش جهانی برای محاسبه پتانسیل تعادل دقیق Li/C6 با مقادیر x متغیر وجود ندارد. به طور کلی به صورت تجربی تعیین می شود. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که پتانسیل جداسازی مواد مبتنی بر گرافیت معمولاً بین ۰-۰.۴ ولت (در مقابل Li/Li+) تغییر می‌کند، که آنها را به مواد الکترود منفی نسبتاً مناسب برای کاربردها تبدیل می‌کند. شکل 1.2 منحنی مشخصه تخلیه{10}بار معمولی الکترود منفی گرافیت را نشان می‌دهد.

برای مواد الکترود مثبت LiCoO2، فرآیند بینابینی/دینترکالاسیون لیتیوم یک واکنش تک فازی-است. با تغییر غلظت یون لیتیوم در ماده الکترود مثبت، پتانسیل الکترود مثبت نیز تغییر می کند. با در نظر گرفتن غلظت یون لیتیوم در الکترولیت 1 mol/L، برای واکنش در رابطه (1.1)، پتانسیل الکترود مثبت E برابر است با

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

کجا
درجه E - پتانسیل الکترود استاندارد.
C(LiCoO2) - غلظت LiCoO2 در ماده الکترود مثبت.
C(Li+,CoO2) - غلظت Li+ و CoO2 در مواد الکترود مثبت.
همانطور که یون های لیتیوم استخراج می شوند، پتانسیل الکترود مثبت روند نزولی را نشان می دهد.

فرآیند تخلیه-شارژ مواد فسفات آهن لیتیوم، تبدیل از فسفات آهن لیتیوم به فسفات آهن پس از جداسازی است.

واکنش در الکترود فسفات آهن لیتیوم است
LiFePO4 ↔ FePO4 + Li+ + e- (1.10)

فرآیند بین{0} یون لیتیوم آن یک واکنش دو فازی است. بنابراین، تغییرات غلظت یون لیتیوم در ماده الکترود مثبت بر تغییر پتانسیل الکترود مثبت تأثیر نمی‌گذارد. پتانسیل تعادل آن است

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

غلظت جامدات خالص 1 است. بر اساس پارامترهای ترمودینامیکی آن، پتانسیل تعادل نظری 3.4 ولت است.

منحنی مشخصه تخلیه{0}معمولی مواد فسفات آهن لیتیوم در شکل 1.3 نشان داده شده است.

ویژگی‌های عملکرد باتری‌های لیتیوم{0} یون

در مقایسه با سایر باتری‌ها، باتری‌های لیتیوم{0} یون دارای ویژگی‌های زیر هستند که به طور گسترده توسط توزیع‌کنندگان باتری‌های لیتیوم- و مشتریان صنعتی شناخته شده است:

چگالی انرژی بالا.چگالی انرژی باتری‌های لیتیوم{0} یون به 100 W·h/kg و 200 W·h/L یا بیشتر می‌رسد. باتری‌های یون لیتیوم کاتدی سه‌گانه اخیر، انرژی ویژه جرمی 200 W·h/kg را به دست آورده‌اند. با استفاده از مواد آند مبتنی بر سیلیکون نیکل{7} بالا و مواد کاتدی غنی از لیتیوم{9}، انتظار می‌رود که انرژی ویژه جرمی به 400 W·h/kg و چگالی انرژی حجمی 900 W·h/L برسد که بسیار بیشتر از باتری‌های سنتی است. بنابراین، باتری‌های لیتیوم{13}} به طور گسترده در محصولات الکترونیکی قابل حمل و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند.

ولتاژ مدار باز-بالا.به دلیل استفاده از حلال‌های آلی غیرآبی، ولتاژ تک سلولی به 3.6 تا 3.8 ولت می‌رسد که 2 تا 3 برابر باتری‌های نیکل-هیدرید فلز یا نیکل-کادمیم است. استفاده موثر از مواد کاتدی با ولتاژ بالا می‌تواند ولتاژ کاری یک سلول را به 4.5 تا 5 ولت افزایش دهد، که یکی از دلایل مهم چگالی انرژی بالای باتری‌های لیتیوم{12} یونی است.

قابلیت شارژ و تخلیه-بالا.برای مثال، همه باتری‌های یونی-لیتیوم-حالت جامد- که از الکترولیت‌های پلیمری استفاده می‌کنند، می‌توانند با ایمنی خوب به سرعت تخلیه بالای 10 درجه سانتیگراد دست یابند. باتری‌های لیتیوم{4}} که از فسفات آهن لیتیوم به عنوان کاتد استفاده می‌کنند، می‌توانند به دشارژ ۱۰۰ درجه سانتیگراد برسند.

نرخ تخلیه خود-پایین.در دمای اتاق، میزان تخلیه ماهانه باتری‌های لیتیوم{{1} یون معمولاً کمتر از 10% است، کمتر از باتری‌های نیکل-هیدرید فلز (15%) و نیمی از باتری‌های نیکل-کادمیم. میزان تخلیه خودکار باتری‌های لیتیوم آهن فسفات معمولاً کمتر از 3٪ است.

سازگار با محیط زیست،فاقد سرب، کادمیوم، جیوه یا سایر مواد مضر بوده و محیط زیست را آلوده نمی کند.

بدون اثر حافظهاثر حافظه به پدیده ای اشاره دارد که در آن ظرفیت باتری هنگام شارژ مجدد قبل از تخلیه کامل یا استفاده قبل از شارژ کامل کاهش می یابد (اثر حافظه کاهش ظرفیت نیست). باتری‌های لیتیوم{1} یون اثر حافظه ندارند.

ایمنی خوبباتری‌های لیتیوم{0} یون معمولاً از مواد کربنی به عنوان الکترود منفی استفاده می‌کنند که پتانسیل الکترودی آن نزدیک به لیتیوم فلزی است. یون‌های لیتیوم می‌توانند به طور برگشت‌پذیری در کربن متلاشی شده و از بین بروند و احتمال رسوب فلز لیتیوم را تا حد زیادی کاهش دهند و ایمنی باتری را به میزان قابل توجهی بهبود بخشند. در سال‌های اخیر،{3}}افزودنی‌های مقاوم در برابر شعله،-جداکننده‌های بازدارنده شعله، دستگاه‌های PTC (ضریب دمای مثبت)، دریچه‌های ضد انفجار-، سیستم‌های مدیریت باتری و سایر فناوری‌ها ایمنی بسیار بالای باتری‌های لیتیوم- را تضمین کرده‌اند.

عمر چرخه طولانیعمر چرخه باتری‌های لیتیوم{0} یون معمولاً بیش از 500 چرخه است. عمر چرخه باتری های لیتیوم آهن فسفات به طور کلی 2000-3000 چرخه است. هنگامی که با سیستم های مواد آندی با قابلیت چرخه بالا (مانند لیتیوم تیتانات) مطابقت داده شود، می توان به بیش از 10000 چرخه دست یافت. این باعث می‌شود باتری‌های فسفات آهن لیتیوم بهترین انتخاب برای سیستم‌های باتری ذخیره‌سازی انرژی و پروژه‌های{9}} ESS در مقیاس بزرگ باشند.