Увод у литијум{0}јонске батерије
Принцип рада литијум{0}јонских батерија
Литијум{0}}јонска батерија се углавном састоји од позитивне електроде, негативне електроде, електролита који спроводи литијум јоне исепаратори кућиште које раздваја позитивне и негативне електроде. Материјал позитивне електроде је генерално једињење које омогућава реверзибилно убацивање и екстракцију литијум јона, као што су литијум кобалт оксид (ЛиЦоО₂), литијум никл оксид (ЛиНиО₂), литијум манган оксид (ЛиМн₂О₄) или тернарни материјали (ЛиЦоₓНиᵧМн₁₋ₓ₋ᵧО₂). Електролит се састоји од литијумових соли (обичне литијумове соли укључују ЛиЦлО₄, ЛиПФ₆, ЛиБФ₄, ЛиБОБ, итд.) растворених у одређеном растварачу (углавном мешавина етилен карбоната (ЕЦ), диетил карбоната (ДЕЦ), диметил карбоната (ДМЦ), одређених пропилен карбоната (пропилен, а итд.). Материјал сепаратора је углавном полиолефинска смола, која обично користи једнослојне - или вишеслојне полипропиленске (ПП) и полиетиленске (ПЕ) микропорозне мембране, као што је Целгард 2300 сепаратор. Негативна електрода обично користи материјале способне за интеркалацију литијума, као што су нафтни кокс, чисти графит и слојевити графитни мешани угљеник. Реакција у литијум{10}}јонској батерији која користи угљеник (Ц₆) као негативну електроду и оксид прелазног метала ЛиМеО₂ као позитивну електроду је следећа.
Током пуњења:
Током отпуштања:
Током пуњења, литијум јони се ослобађају од позитивне електроде и убацују у негативну електроду; током пражњења, литијум јони се ослобађају од негативне електроде и убацују у позитивну електроду. Другим речима, током пуњења и пражњења, литијум јони се крећу напред-назад између позитивне и негативне електроде, слично као столица за љуљање. Због тога се литијум{2}}јонске батерије називају и „батерије за љуљање“. Њихов принцип рада може се илустровати на слици 1.1.
У нормалним условима пуњења и пражњења, уметање и екстракција литијум јона између слојевитих угљеничних материјала и честица оксида или између слојева у литијум{0}}јонским батеријама углавном само изазива промене у међуслојном размаку и не оштећује кристалну структуру. Током пуњења и пражњења, хемијске структуре материјала позитивних и негативних електрода остају суштински непромењене. Стога, из перспективе реверзибилности реакције пражњења-, уметање и екстракција литијум јона у материјалима батерије је идеалан реакциони процес. На основу ових карактеристика, литијум-јонске батерије су супериорније у перформансама од никл-кадмијум и никл-метал-хидридних батерија.
Класификација литијум{0}јонских батерија
Литијум{0}}јонске батерије се могу класификовати према коришћеном материјалу катоде, изгледу и величини, начину производње ћелије, типу паковања и карактеристикама примене.
На основу коришћеног материјала катоде, литијум{0}}јонске батерије се могу поделити на литијум кобалт оксидне батерије, литијум манган оксидне батерије, тернарне литијумске батерије и литијум гвожђе фосфатне батерије.
Литијум-кобалт оксидне батерије имају номинални напон од 3,7В и радни напон од 2,4~4,2В. Литијум-кобалт оксидне батерије имају стабилну структуру, висок специфични капацитет и изванредне укупне перформансе, али је њихова безбедност лоша и њихова цена је висока, углавном се користе у малим и средњим-ћелијама. Последњих година развијени су високонапонски-материјали од литијум кобалт оксида, који могу да повећају горњи гранични напон батерије на 4,3В или 4,35В, чиме се ефикасно побољшава капацитет батерије и густина енергије. Тренутно, литијум-кобалт оксидне батерије имају највећу запреминску густину енергије, која достиже 550 Вх/кг, што их чини јединим избором за напајање врхунских{11}}мобилних телефона и других електронских производа.
Литијум-манган оксидне (ММАНО) батерије имају номинални напон од 3,8В и радни напон од 2,5В до 4,2В. Заштитни напон од препуњавања је 4,28В ± 0,025В, а напон заштите од преко{6}}пражњења је 2,5В ± 0,1В. ММАНО батерије су јефтине-и имају добру безбедност. Међутим, сам материјал од литијум-манган оксида је релативно нестабилан и склон распадању, стварајући гас и бубрење. Животни век његовог циклуса опада релативно брзо, његов животни век је релативно кратак, а перформансе на високим{13}}температурама су лоше. Углавном се користи у ћелијама ниских{15}}средњих-до-великих-елија за производњу енергетских батерија.
Тернарне литијум{0}}ионске (ТЛЦ) батерије имају номинални напон од 3,6 В и радни напон од 2,75 В до 4,2 В. Заштитни напон од препуњавања је 4,28В ± 0,025В, а напон заштите од прекомјерног пражњења је 2,75В ± 0,1В. ТЛЦ батерије имају добре укупне перформансе, јефтиније су од литијум кобалт оксида (ЛЦО) и нуде побољшану безбедност. Могу се користити у енергетским батеријама, а њихов тржишни удео на тржишту катодног материјала расте из године у годину. Тржиште постепено прихвата мале литијум{13}}јонске батерије које користе тернарне литијум{14}јонске материјале. Тројни материјали се такође могу мешати са литијум кобалт оксидом и литијум манган оксидом за употребу у челичним-кућиштима, алуминијумским-кућиштима, врећицама, полимерима и цилиндричним литијум-јонским батеријама, што може значајно да смањи трошкове батерије и побољша опште перформансе. Тренутно, батерије од тернарног материјала могу да постигну густину енергије од 180 Вх/кг (26650 челичних-батерија могу достићи капацитет од 4600 мАх/кг са тежином од 90г), нудећи јасну предност у исплативости{25}}.
Литијум-гвожђе-фосфатне (ЛФП) батерије имају номинални напон од 3,2В и радни напон од 2,5~3,75В. Напон заштите од препуњавања је 3,75В±0,025В, а напон заштите од преко{6}}пражњења је 2,5В±0,1В. Највећа предност ЛФП батерија је стабилност и -разлагање материјала позитивне електроде, што им даје сигурност без премца у поређењу са другим системима материјала позитивних електрода. ЛФП батерије имају дуг век трајања, богате су ресурсима и еколошки су прихватљиве. Међутим, они имају ниску платформу за пражњење и лоше перформансе на ниским{13}температурама.
На основу изгледа и величине, литијум{0}}јонске батерије се могу поделити на цилиндричне и призматичне батерије итд.
На основу методе производње ћелија, литијум{0}}јонске батерије се могу поделити на намотане батерије (цилиндричне намотане и равне), наслагане батерије итд.
На основу врсте материјала за паковање, литијум{0}}јонске батерије се могу поделити на батерије са челичним-кућиштем, алуминијумске-батерије у кућишту, пластичне-батерије, меке-батерије итд.
На основу карактеристика примене, литијум{0}}јонске батерије се могу поделити на високо{1}}батерије са ниском температуром,-батерије са ниском температуром, батерије за напајање и батерије капацитета итд.
На основу области примене, литијум{0}}јонске батерије се могу класификовати на: резервне батерије, електричне батерије и батерије за складиштење енергије.
Примене литијум{0}јонских батерија
Може се рећи да од проналаска батерије ниједан други батеријски производ није коришћен тако брзо и широко као литијум{0}}јонска батерија. Од напајања такта за ЦПУ рачунара до великих литијум-јонских батерија које се користе у аутомобилима и подморницама, разлика у капацитету је више од 10 милиона пута. Имају широку примену у свакодневном животу, медицинској опреми, електричним возилима, електранама за складиштење енергије, ваздухопловству и војсци.
После више од 10 година популаризације, литијум{1}}јонске батерије постале су једини систем напајања који се широко користи у дигиталним производима као што су мобилни телефони и лаптопови. Због своје високе специфичне енергије, они се такође широко користе у електричним алатима, електричним бициклима, електричним аутобусима, електранама за складиштење енергије ветра и сунца, базним станицама мобилних комуникација, напајањима за рударске лампе, напајањима за рударске капсуле, напајањима за појединачне војнике, радијима, сателитским батеријама и многим другим апликацијама. Према статистичким подацима, у 2011. години, величина тржишта кинеске индустрије литијумских батерија достигла је 39,7 милијарди јуана, годишње-на-годишњим растом од 43%, а годишња производња литијумских батерија је достигла 2,97 милијарди јединица, што је повећање од 28% годишње{10}}на-.6%. Индустрија литијумских батерија постала је важан индустријски правац националне економије²¹.
