Unsa ang Kinaiya sa Lithium-ion Baterya?

Kapasidad ug Electromotive Force sa Lithium-ion Battery Materials

Sa panahon sa charge-discharge reaction sa lithium-ion nga mga baterya, ang mga aktibong materyales lamang sa positibo ug negatibo nga mga electrodes ang moagi sa lithium-ion intercalation/deintercalation reactions, samtang ang electrolyte ug uban pang mga materyales wala makonsumo. Busa, ang potensyal diin ang mga materyal nga positibo ug negatibo nga electrode mabalikbalik nga mag-intercalate/deintercalate nga mga lithium ions nagtino sa bukas nga-circuit nga boltahe sa baterya, ug ang gidaghanon sa lithium ions nga nag-intercalate/deintercalating nagtino sa kapasidad sa aktibong materyal. Daghang global nga lithium-ion battery manufacturers ug lithium-ion battery suppliers nagsalig niining materyal nga mga kinaiya aron makab-ot ang stable nga mass production ug makanunayon nga performance sa produkto.

Alang sa negatibo nga electrode, ang reaksyon mahitabo sumala sa Equation (1.2). Matag mole sa carbon (12g), ang maximum nga 1/6 mol sa lithium ions mahimong intercalated. Busa, ang theoretical piho nga kapasidad sa carbon negatibo nga electrode materyal mao ang
1/6(mol)×96485(Faraday constant,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)

Sa adlaw-adlaw nga paggamit, nga gikonsiderar ang pagkawala sa lithium tungod sa adsorption ug ang pagporma sa solid electrolyte interphase (SEI) film, ang aktuwal nga makab-ot nga piho nga kapasidad sa mga materyales sa carbon mao ang 300-345 mA·h/g. Ang nanguna nga lithium-ion battery pack suppliers nakakab-ot niini nga lebel pinaagi sa optimized graphite formulation ug tukma nga mga proseso sa coating.

Alang sa positibo nga materyal sa electrode, ang kapasidad niini nagdepende sa gidaghanon sa mga lithium ions nga mahimong makuha / isulud. Ang pagkuha sa LiCoO₂ isip pananglitan, hangtod sa 1 mol sa lithium ions matag mole sa LiCoO₂ mahimong makaapil sa reaksyon. Busa, ang teoretikal nga piho nga kapasidad sa LiCoO₂ (relative molecular mass 97.86) mao ang
1(mol)×96485(C/mol)/97.86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)

Sa praktis, aron mapadayon ang kristal nga kalig-on sa LiCoO₂ nga materyal, kasagaran 30%-60% lamang sa mga lithium ion ang moapil sa reaksyon. Busa, ang aktuwal nga espesipikong kapasidad sa LiCoO₂ nga materyal kay 137–164 mA·h/g. Ang dagkong lithium-ion battery OEM manufacturers nagkontrolar sa giladmon sa charge ug discharge pinaagi sa advanced BMS aron mapadako ang cycle life samtang gisiguro ang kaluwasan.

Alang sa lithium iron phosphate, ang 1 mol sa lithium ions matag mole sa lithium iron phosphate mahimong hingpit nga makaapil sa reaksyon. Busa, ang teoretikal ug aktuwal nga espesipikong kapasidad sa lithium iron phosphate nga materyal (relative molecular mass 157.8) mao ang
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)

Sa kinaiyahan, ang standard redox potential sa Li/Li⁺ mao ang pinakaubos, moabot sa -3.04 V (vs. standard hydrogen electrode). Para sa carbon negative electrode nga mga materyales, ang potensyal sa lithium-ion extraction ug insertion duol sa Li/Li⁺ equilibrium potential. Sumala sa electrochemical theory, sa lawak temperatura, ang electrode potensyal E sa carbon negatibo nga electrode mao

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

diin
E℃- standard electrode potential;
C(Li⁺) - konsentrasyon sa lithium ions sa electrolyte solution;
C(Li,C₆) - konsentrasyon sa lithium ions sa negatibo nga electrode carbon.

Kung ang konsentrasyon sa lithium ion sa solusyon ug sa negatibo nga electrode carbon hapit na, ang potensyal sa electrode sa negatibo nga electrode parehas sa sukaranan nga potensyal sa pagkunhod sa E degree. Kasagaran, ang konsentrasyon sa lithium ion sa electrolyte gitakda, mao nga ang mga pagbag-o sa konsentrasyon sa lithium ion sa negatibo nga electrode carbon hinungdan sa mga pagbag-o sa potensyal nga negatibo nga electrode. Sa pagkakaron walay unibersal nga pamaagi sa pagkuwenta sa tukma nga ekwilibriyong potensyal sa Li/C₆ nga adunay lain-laing x value. Kasagaran kini gitino sa eksperimento. Gipakita sa mga eksperimento nga ang potensyal sa delithiation sa mga materyales nga gibase sa graphite-sa kasagaran magkalahi tali sa 0–0.4 V (vs. Li/Li⁺), nga naghimo kanila nga haom nga mga negatibong materyales sa elektrod alang sa mga aplikasyon. Ang Figure 1.2 nagpakita sa tipikal nga charge{10}}discharge characteristic curve sa usa ka graphite negative electrode.

Para sa LiCoO₂ positibong electrode nga materyal, ang lithium intercalation/deintercalation nga proseso kay usa ka -phase reaction. Samtang ang konsentrasyon sa lithium ion sa positibo nga materyal sa electrode nausab, ang potensyal sa positibo nga electrode usab mausab. Gikonsiderar ang konsentrasyon sa lithium ion sa electrolyte mao ang 1 mol/L, alang sa reaksyon sa Equation (1.1), ang positibo nga electrode potential E mao ang

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

diin
E℃- standard electrode potential;
C(LiCoO₂) - konsentrasyon sa LiCoO₂ sa positibo nga electrode nga materyal;
C(Li⁺,CoO₂) - konsentrasyon sa Li⁺ ug CoO₂ sa positive electrode material;
Samtang ang mga lithium ions gikuha, ang positibo nga potensyal sa electrode nagpakita sa usa ka ubos nga uso.

Ang proseso sa pagkarga-sa pagdiskarga sa materyal nga lithium iron phosphate mao ang pagkakabig gikan sa lithium iron phosphate ngadto sa iron phosphate human sa delithiation.

Ang reaksyon sa lithium iron phosphate electrode mao ang
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)

Ang lithium-ion intercalation/deintercalation nga proseso kay duha ka-phase reaction. Busa, ang mga pagbag-o sa konsentrasyon sa lithium ion sa positibo nga materyal sa electrode dili makaapekto sa potensyal nga pagbag-o sa positibo nga electrode. Ang potensyal sa balanse niini

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

Ang konsentrasyon sa puro nga solido kay 1. Base sa thermodynamic parameters niini, ang theoretical equilibrium potential kay 3.4 V.

Ang tipikal nga charge-discharge characteristic curve sa lithium iron phosphate nga materyal gipakita sa Figure 1.3.

Mga Kinaiya sa Pagganap sa Lithium-ion Baterya

Kon itandi sa ubang mga baterya, ang lithium-ion nga mga baterya adunay mosunod nga mga kinaiya nga kaylap nga giila sa lithium-ion battery distributors ug industriyal nga mga kliyente:

Taas nga density sa enerhiya.Ang densidad sa enerhiya sa lithium-ion nga mga baterya moabot sa 100 W·h/kg ug 200 W·h/L o labaw pa. Ang bag-o nga ternary cathode lithium-ion nga mga baterya nakab-ot og mass specific energy nga 200 W·h/kg. Gamit ang taas nga-nickel silicon-based anode materials ug lithium-rich cathode materials, ang mass specific energy gilauman nga moabot sa 400 W·h/kg ug ang volumetric energy density 900 W·h/L, nga labaw pa sa tradisyonal nga mga baterya. Busa, ang lithium{13}}ion nga mga baterya kay kaylap nga gigamit sa madaladala nga elektronikong mga produkto ug de-koryenteng mga sakyanan.

Taas nga open{0}}circuit boltahe.Tungod sa paggamit sa dili-tubig nga organic solvents, ang single-cell boltahe moabot sa 3.6–3.8 V, nga 2–3 ka pilo sa nickel-metal hydride o nickel-cadmium batteries. Ang epektibong paggamit sa taas nga-boltahe nga mga materyales sa cathode makapataas sa operating boltahe sa usa ka cell ngadto sa 4.5–5 V, nga maoy usa sa importanteng rason sa taas nga energy density sa lithium{12}}ion nga mga baterya.

Makahimo sa taas nga-rate nga bayad ug pagdiskarga.Pananglitan, ang tanang-solid-state lithium-ion nga mga baterya nga naggamit ug polymer electrolytes makaabot sa mga discharge rate nga labaw sa 10C nga adunay maayong kaluwasan; mga baterya sa lithium-ion gamit ang lithium iron phosphate kay ang cathode makab-ot ang 100C discharge.

Ubos nga{0}}kaugalingon nga pagdiskarga.Sa temperatura sa lawak, ang binulan nga self-discharge rate sa lithium-ion nga mga baterya kasagaran ubos sa 10%, mas ubos kay sa nickel-metal hydride nga mga baterya (15%) ug katunga sa nickel-cadmium nga mga baterya. Ang kaugalingon nga-discharge rate sa lithium iron phosphate nga mga baterya kasagaran ubos sa 3%.

Mahigalaon sa kinaiyahan,walay lead, cadmium, mercury, o uban pang makadaot nga mga butang, ug dili makahugaw sa kinaiyahan.

Walay epekto sa memorya.Ang epekto sa panumduman nagtumong sa panghitabo diin ang kapasidad sa baterya mokunhod kung ma-recharge sa wala pa hingpit nga ma-discharge o magamit sa wala pa hingpit nga ma-charge (ang epekto sa memorya dili pagkadunot sa kapasidad). Lithium{1}}ion nga mga baterya walay memory effect.

Maayong kaluwasan.Ang Lithium{0}}ion nga mga baterya kasagaran naggamit og carbon material isip negatibo nga electrode, nga adunay electrode potential nga duol sa metallic lithium. Ang mga lithium ions mahimong mabalik nga intercalate ug deintercalate sa carbon, nga makapakunhod pag-ayo sa posibilidad sa lithium metal deposition ug makapauswag sa kaluwasan sa baterya. Sa bag-ohay nga katuigan, ang flame-retardant additives, flame-retardant separator, PTC (positive temperature coefficient) device, explosion-proof valves, battery management system, ug uban pang teknolohiya nakaseguro sa hilabihan ka taas nga kaluwasan sa lithium-ion nga mga baterya.

Taas nga siklo sa kinabuhi.Ang cycle life sa lithium-ion nga mga baterya kasagaran labaw pa sa 500 ka cycle. Ang siklo sa kinabuhi sa lithium iron phosphate nga mga baterya sa kasagaran 2000-3000 nga mga siklo. Kung gipares sa mga sistema sa materyal nga anode nga adunay taas nga kapabilidad sa siklo (sama sa lithium titanate), labaw pa sa 10,000 nga mga siklo ang mahimo. Gihimo niini ang mga baterya sa lithium iron phosphate nga labing maayong kapilian alang sa mga sistema sa baterya sa pagtipig sa enerhiya ug dagkong-mga proyekto sa ESS.