Mis on liitium{0}}ioonakude omadused?

Liitium{0}}ioonaku materjalide mahutavus ja elektromotoorjõud

Liitium-akude laadimis--tühjenemisreaktsiooni ajal läbivad liitium-ioonide interkalatsiooni-/deinterkalatsioonireaktsioonid ainult positiivsete ja negatiivsete elektroodide aktiivsed materjalid, samas kui elektrolüüti ja muid materjale ei kulutata. Seetõttu määrab potentsiaal, mille juures positiivsed ja negatiivsed elektroodide materjalid liitiumiioone pöörduvalt interkaleerivad/deinterkaleerivad, aku avatud-ahela pinge ja interkaleeruvate/deinterkaleeruvate liitiumioonide hulk määrab aktiivse materjali mahu. Paljud ülemaailmsed liitium-ioonakude tootjad ja liitium-ioonakude tarnijad tuginevad nendele materjalide omadustele, et saavutada stabiilne masstootmine ja ühtlane toote jõudlus.

Negatiivse elektroodi puhul toimub reaktsioon võrrandi (1.2) kohaselt. Ühe mooli süsiniku (12g) kohta saab interkaleerida maksimaalselt 1/6 mooli liitiumiioone. Seetõttu on süsiniknegatiivse elektroodi materjali teoreetiline erimahtuvus
1/6 (mol) × 96485 (Faraday konstant, C/mol)/12 (g) =3400 C/g=372 (mA·h/g) (1,5)

Arvestades liitiumi kadu adsorptsioonist ja tahke elektrolüüdi interfaasi (SEI) kile moodustumisest, on süsinikmaterjalide tegelik saavutatav erivõimsus igapäevases kasutuses 300–345 mA·h/g. Juhtivad liitium-ioonakude tarnijad saavutavad selle taseme optimeeritud grafiidi koostise ja täpsete katmisprotsesside abil.

Positiivse elektroodi materjali puhul sõltub selle võimsus liitiumioonide hulgast, mida saab ekstraheerida/sisestada. Võttes näiteks LiCoO₂, võib reaktsioonis osaleda kuni 1 mol liitiumioone ühe mooli LiCoO₂ kohta. Seetõttu on LiCoO₂ (suhteline molekulmass 97,86) teoreetiline erimahtuvus
1 (mol) × 96485 (C/mol)/97,86 (g) =985.95 C/g=273.9 (mA·h/g) (1,6)

Praktikas osaleb LiCoO₂ materjali kristallide stabiilsuse säilitamiseks reaktsioonis tavaliselt ainult 30–60% liitiumioonidest. Seetõttu on LiCoO₂ materjali tegelik erivõimsus 137–164 mA·h/g. Suuremad liitium-ioonakude OEM-tootjad kontrollivad laadimis- ja tühjenemissügavust täiustatud BMS-i abil, et maksimeerida tsükli eluiga, tagades samas ohutuse.

Liitiumraudfosfaadi puhul võib reaktsioonis täielikult osaleda 1 mol liitiumioonide mooli liitiumraudfosfaadi kohta. Seetõttu on liitiumraudfosfaadi materjali (suhteline molekulmass 157,8) teoreetiline ja tegelik erimahtuvus
1 (mol) × 96485 (C/mol)/157,8 (g) =611.44 C/g=169.8 (mA·h/g) (1,7)

Looduses on Li/Li⁺ standardne redokspotentsiaal madalaim, ulatudes -3,04 V (vs standardne vesinikelektrood). Süsinikegatiivsete elektroodide materjalide puhul on liitiumioonide ekstraheerimise ja sisestamise potentsiaal Li / Li+ tasakaalupotentsiaali lähedal. Elektrokeemilise teooria kohaselt on toatemperatuuril süsiniknegatiivse elektroodi elektroodi potentsiaal E

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

kus
E kraad - standardne elektroodi potentsiaal;
C(Li⁺) - liitiumioonide kontsentratsioon elektrolüüdi lahuses;
C(Li,C₆) - liitiumioonide kontsentratsioon negatiivse elektroodi süsinikus.

Kui liitiumioonide kontsentratsioon lahuses ja negatiivse elektroodi süsinikus on lähedased, võrdub negatiivse elektroodi elektroodi potentsiaal standardse redutseerimispotentsiaali E kraadiga. Üldiselt on liitiumioonide kontsentratsioon elektrolüüdis fikseeritud, nii et liitiumioonide kontsentratsiooni muutused negatiivse elektroodi süsinikus põhjustavad muutusi negatiivse elektroodi potentsiaalis. Praegu ei ole universaalset meetodit Li/C₆ täpse tasakaalupotentsiaali arvutamiseks erinevate x väärtustega. Tavaliselt määratakse see eksperimentaalselt. Katsed näitavad, et grafiit{4} põhinevate materjalide delitiatsioonipotentsiaal varieerub üldiselt vahemikus 0–0,4 V (vs. Li/Li⁺), mistõttu on need rakendustes suhteliselt sobivad negatiivsete elektroodide materjalid. Joonisel 1.2 on kujutatud grafiitnegatiivse elektroodi tüüpiline laengu{10}}lahenduskõver.

LiCoO₂ positiivse elektroodi materjali puhul on liitiumi interkalatsiooni/deinterkalatsiooni protsess ühefaasiline{0}}reaktsioon. Kui liitiumioonide kontsentratsioon positiivse elektroodi materjalis muutub, muutub ka positiivse elektroodi potentsiaal. Arvestades, et liitiumioonide kontsentratsioon elektrolüüdis on 1 mol/L, on valemis (1.1) toodud reaktsiooni korral elektroodi positiivne potentsiaal E

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

kus
E kraad - standardne elektroodi potentsiaal;
C(LiCoO₂) - LiCoO₂ kontsentratsioon positiivse elektroodi materjalis;
C(Li⁺,CoO₂) - Li⁺ ja CoO₂ kontsentratsioon positiivses elektroodi materjalis;
Liitiumioonide ekstraheerimisel näitab positiivne elektroodi potentsiaal langustrendi.

Liitiumraudfosfaadi materjali laadimis-tühjendusprotsess on liitiumraudfosfaadi muundamine raudfosfaadiks pärast delitatsiooni.

Reaktsioon liitiumraudfosfaatelektroodil on
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)

Selle liitium{0}}ioonide interkalatsiooni/deinterkalatsiooni protsess on kahe-faasiline reaktsioon. Seetõttu ei mõjuta liitiumioonide kontsentratsiooni muutused positiivse elektroodi materjalis positiivse elektroodi potentsiaalset muutust. Selle tasakaalupotentsiaal on

E=E kraad + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)

Puhaste tahkete ainete kontsentratsioon on 1. Selle termodünaamiliste parameetrite põhjal on teoreetiline tasakaalupotentsiaal 3,4 V.

Liitiumraudfosfaadi materjali tüüpiline laadimis{0}}tühjenemise karakteristikukõver on näidatud joonisel 1.3.

Liitium{0}}ioonakude jõudlusnäitajad

Võrreldes teiste akudega on liitium{0}}ioonakudel järgmised omadused, mida liitium-ioonakude turustajad ja tööstuskliendid laialdaselt tunnustavad:

Kõrge energiatihedus.Liitium{0}}ioonakude energiatihedus ulatub 100 W·h/kg ja 200 W·h/l või rohkem. Hiljutised kolmekomponentsete katoodidega liitium-ioonakud on saavutanud massierienergia 200 W·h/kg. Kasutades kõrge -nikli räni-põhiseid anoodimaterjale ja liitium-rikkaid katoodmaterjale, jõuab massispetsiifiline energia eeldatavasti 400 W·h/kg-ni ja mahuline energiatihedus 900 W·h/L, mis ületab tunduvalt traditsioonilisi akusid. Seetõttu kasutatakse liitiumioonakusid laialdaselt kaasaskantavates elektroonikatoodetes ja elektrisõidukites.

Kõrge avatud{0}}vooluahela pinge.Mitte--vesipõhiste orgaaniliste lahustite kasutamise tõttu ulatub ühe-elemendi pinge 3,6–3,8 V, mis on 2–3 korda suurem kui nikkel-metallhüdriid- või nikkel-kaadmiumakudel. Kõrgepingega katoodmaterjalide tõhus kasutamine võib tõsta ühe elemendi tööpinge 4,5–5 V-ni, mis on liitium-ioonakude suure energiatiheduse üheks oluliseks põhjuseks.

Suure{0}}laadimis- ja tühjenemiskiirusega.Näiteks kõik -tahke-liitium--ioonakud, mis kasutavad polümeerelektrolüüte, võivad saavutada hea ohutusega tühjenemise kiirust üle 10 °C; liitium-ioonakud, mis kasutavad katoodina liitiumraudfosfaati, võivad saavutada 100C tühjenemise.

Madal isetühjenemise{0}}määr.Toatemperatuuril on liitium-ioonakude igakuine isetühjenemise määr tavaliselt alla 10%, madalam kui nikkel-metallhüdriidakudel (15%) ja poole väiksem kui nikkel-kaadmiumakudel. Liitiumraudfosfaatakude isetühjenemise määr on tavaliselt alla 3%.

Keskkonnasõbralik,ei sisalda pliid, kaadmiumi, elavhõbedat ega muid kahjulikke aineid ega saasta keskkonda.

Mäluefekt puudub.Mäluefekt viitab nähtusele, kus aku võimsus väheneb laadimisel enne täielikku tühjenemist või enne täielikku laadimist (mäluefekt ei ole mahu vähenemine). Liitium-ioonakudel puudub mäluefekt.

Hea turvalisus.Liitium-ioonakud kasutavad tavaliselt negatiivse elektroodina süsinikmaterjale, mille elektroodipotentsiaal on lähedane metallilise liitiumi potentsiaalile. Liitiumioonid võivad süsinikus pööratavalt interkaleeruda ja deinterkaleeruda, vähendades oluliselt liitiummetalli sadestumise tõenäosust ja parandades oluliselt aku ohutust. Viimastel aastatel on leegi-aeglustavad lisandid, leegi-separaatorid, PTC-seadmed (positiivne temperatuurikoefitsient), plahvatuskindlad-klapid, akuhaldussüsteemid ja muud tehnoloogiad taganud liitium-ioonakude ülikõrge ohutuse.

Pikk tsükli eluiga.Liitium{0}}ioonakude eluiga on üldiselt üle 500 tsükli. Liitiumraudfosfaatpatareide tööiga on tavaliselt 2000–3000 tsüklit. Suure tsüklivõimega anoodmaterjalisüsteemidega (nt liitiumtitanaat) sobitamisel on võimalik saavutada üle 10 000 tsükli. See muudab liitiumraudfosfaatpatareid parimaks valikuks energiasalvestavate akusüsteemide ja suuremahuliste -ESS-projektide jaoks.