Које су карактеристике литијум{0}јонских батерија?
Капацитет и електромоторна сила материјала за литијум{0}јонске батерије
Током реакције{0}}пражњења литијум{1}}јонских батерија, само активни материјали позитивне и негативне електроде пролазе кроз реакције интеркалације/деинтеркалације литијум{2}}јона, док се електролит и други материјали не троше. Према томе, потенцијал при којем материјали позитивне и негативне електроде реверзибилно интеркалирају/деинтеркалирају литијум јоне одређује напон-отвореног кола батерије, а количина интеркалације/деинтеркалације литијум јона одређује капацитет активног материјала. Многи глобални произвођачи литијум-јонских батерија и добављачи литијум- батерија ослањају се на ове карактеристике материјала да би постигли стабилну масовну производњу и доследне перформансе производа.
За негативну електроду, реакција се одвија према једначини (1.2). По молу угљеника (12г), може се интеркалирати највише 1/6 мола литијум јона. Према томе, теоретски специфични капацитет угљеничног негативног материјала електроде је
1/6(мол)×96485(Фарадејева константа,Ц/мол)/12(г)=3400Ц/г=372(мА·х/г) (1,5)
У свакодневној употреби, узимајући у обзир губитак литијума услед адсорпције и формирања филма међуфазе чврстог електролита (СЕИ), стварни достижни специфични капацитет угљеничних материјала је 300–345 мА·х/г. Водећи добављачи литијум{3}}јонских батерија постижу овај ниво кроз оптимизовану формулацију графита и прецизне процесе наношења премаза.
За материјал позитивне електроде, његов капацитет зависи од количине литијум јона који се могу извући/убацити. Узимајући за пример ЛиЦоО₂, до 1 мол литијум јона по молу ЛиЦоО₂ може да учествује у реакцији. Према томе, теоретски специфични капацитет ЛиЦоО₂ (релативна молекулска маса 97,86) је
1(мол)×96485(Ц/мол)/97,86(г)=985.95Ц/г=273.9(мА·х/г) (1,6)
У пракси, да би се одржала кристална стабилност ЛиЦоО₂ материјала, углавном само 30%–60% литијум јона учествује у реакцији. Дакле, стварни специфични капацитет ЛиЦоО₂ материјала је 137–164 мА·х/г. Главни ОЕМ произвођачи литијум{6}}јонских батерија контролишу дубину пуњења и пражњења путем напредног БМС-а како би максимизирали животни век циклуса уз обезбеђивање безбедности.
За литијум гвожђе фосфат, 1 мол литијум јона по молу литијум гвожђе фосфата може у потпуности да учествује у реакцији. Према томе, теоретски и стварни специфични капацитет материјала литијум гвожђе фосфата (релативна молекулска маса 157,8) је
1(мол)×96485(Ц/мол)/157,8(г)=611.44Ц/г=169.8(мА·х/г) (1,7)
У природи, стандардни редокс потенцијал Ли/Ли⁺ је најнижи и достиже -3,04 В (у односу на стандардну водоничну електроду). За материјале са негативним угљеником, потенцијал екстракције и уметања литијум-јона је близу равнотежног потенцијала Ли/Ли⁺. Према електрохемијској теорији, на собној температури, електродни потенцијал Е угљеничне негативне електроде је
Е=Е степен + 0.02567 · лн[Ц(Ли⁺)/Ц(Ли,Ц₆)] (1.8)
где
Е степен - стандардни потенцијал електроде;
Ц(Ли⁺) - концентрација литијум јона у раствору електролита;
Ц(Ли,Ц₆) - концентрација литијум јона у угљенику негативне електроде.
Када су концентрације литијум јона у раствору и у угљенику негативне електроде блиске, електродни потенцијал негативне електроде једнак је стандардном редукционом потенцијалу Е степена. Генерално, концентрација литијум јона у електролиту је фиксна, тако да ће промене у концентрацији литијум јона у угљенику негативне електроде изазвати промене у потенцијалу негативне електроде. Тренутно не постоји универзална метода за израчунавање прецизног равнотежног потенцијала Ли/Ц₆ са променљивим к вредностима. Углавном се одређује експериментално. Експерименти показују да потенцијал делитације материјала на бази графита- генерално варира између 0–0,4 В (у односу на Ли/Ли⁺), што их чини релативно погодним материјалима негативних електрода за примену. Слика 1.2 приказује типичну криву{10}}набоја карактеристичне за графитну негативну електроду.
За материјал позитивне електроде ЛиЦоО₂, процес интеркалације/деинтеркалације литијума је једнофазна-реакција. Како се концентрација литијум јона у материјалу позитивне електроде мења, мења се и потенцијал позитивне електроде. Узимајући у обзир да је концентрација литијум јона у електролиту 1 мол/Л, за реакцију у једначини (1.1), позитивни потенцијал електроде Е је
Е=Е степен + 0.02567 · лн[Ц(Ли⁺,ЦоО₂)/Ц(ЛиЦоО₂)] (1.9)
где
Е степен - стандардни потенцијал електроде;
Ц(ЛиЦоО₂) - концентрација ЛиЦоО₂ у материјалу позитивне електроде;
Ц(Ли⁺,ЦоО₂) - концентрација Ли⁺ и ЦоО₂ у материјалу позитивне електроде;
Како се литијум јони екстрахују, потенцијал позитивне електроде показује опадајући тренд.
Процес пуњења{0}}пражњења материјала литијум гвожђе фосфата је конверзија из литијум гвожђе фосфата у гвожђе фосфат након делитације.
Реакција на електроди литијум гвожђе фосфата је
ЛиФеПО₄ ↔ ФеПО₄ + Ли⁺ + е⁻ (1.10)
Његов процес интеркалације/деинтеркалације литијум-јона је двофазна реакција. Због тога промене концентрације литијум јона у материјалу позитивне електроде не утичу на промену потенцијала позитивне електроде. Његов равнотежни потенцијал је
Е=Е степен + 0.02567 · лн[Ц(ФеПО₄)/Ц(ЛиФеПО₄)] (1.11)
Концентрација чистих чврстих материја је 1. На основу његових термодинамичких параметара, теоријски потенцијал равнотеже је 3,4 В.
Типична крива{0}}карактеристике пражњења материјала литијум гвожђе фосфата приказана је на слици 1.3.
Карактеристике перформанси литијум{0}}јонских батерија
У поређењу са другим батеријама, литијум{0}}јонске батерије имају следеће карактеристике које су широко признате од стране дистрибутера литијум-јонских батерија и индустријских клијената:
Висока густина енергије.Густина енергије литијум{0}}јонских батерија достиже 100 В·х/кг и 200 В·х/Л или више. Недавне тернарне катодне литијум{4}}јонске батерије су постигле специфичну енергију масе од 200 В·х/кг. Користећи анодне материјале на бази -никл-силицијума- и катодне материјале богате литијумом-, очекује се да ће специфична енергија за масу достићи 400 В·х/кг, а запреминска густина енергије 900 В·х/Л, што је далеко више од традиционалних батерија. Због тога се литијум{13}}јонске батерије широко користе у преносивим електронским производима и електричним возилима.
Висок напон{0}}отвореног кола.Због употребе не-водених органских растварача, напон једне-ћелије достиже 3,6–3,8 В, што је 2–3 пута више од никл-метал-хидридних или никл-кадмијум батерија. Ефикасно коришћење високо-напонских катодних материјала може повећати радни напон једне ћелије на 4,5–5 В, што је један од важних разлога за велику густину енергије литијум{12}}јонских батерија.
Могућност пуњења и пражњења велике{0}}На пример, све -чврсте-литијум-јонске- батерије које користе полимерне електролите могу да постигну стопе пражњења изнад 10Ц уз добру безбедност; литијум{4}}јонске батерије које користе литијум гвожђе фосфат као катоду могу постићи пражњење од 100Ц.
Ниска стопа{0}}самопражњења.На собној температури, месечна -стопа самопражњења литијум-јонских батерија је генерално мања од 10%, нижа од никл-метал хидридних батерија (15%) и упола мања од никл-кадмијум батерија. Стопа-самопражњења литијум-гвожђе-фосфатних батерија је генерално мања од 3%.
Еколошки прихватљив,не садржи олово, кадмијум, живу или друге штетне материје и не загађује животну средину.
Нема ефекта меморије.Меморијски ефекат се односи на феномен где се капацитет батерије смањује када се поново напуни пре него што се потпуно испразни или се користи пре него што се потпуно напуни (ефекат меморије није опадање капацитета). Литијум{1}}јонске батерије немају меморијски ефекат.
Добра сигурност.Литијум{0}}јонске батерије углавном користе угљеничне материјале као негативну електроду, која има електродни потенцијал близак потенцијалу металног литијума. Литијум јони могу реверзибилно да се интеркалирају и деинтеркалирају у угљенику, значајно смањујући вероватноћу таложења литијум метала и значајно побољшавајући безбедност батерије. Последњих година, -адитиви који успоравају пламен,{4}}отпорни сепаратори, ПТЦ (позитивни температурни коефицијент) уређаји, вентили са{5}}отпорним на експлозију, системи за управљање батеријама и друге технологије су обезбедили изузетно високу безбедност литијум-јонских батерија.
Дуг животни циклус.Животни век литијум{0}јонских батерија је генерално више од 500 циклуса. Животни век литијум гвожђе фосфатних батерија је генерално 2000–3000 циклуса. Када се упореди са системима анодног материјала са високом способношћу циклуса (као што је литијум титанат), може се постићи више од 10.000 циклуса. Ово чини литијум-гвожђе-фосфатне батерије најбољим избором за системе батерија за складиштење енергије и велике-ЕСС пројекте.
