Mik a lítium{0}}ion akkumulátorok jellemzői?
A lítium{0}}ion akkumulátorok kapacitása és elektromotoros ereje
A lítium-akkumulátorok töltési-kisülési reakciója során csak a pozitív és negatív elektródák aktív anyagai mennek keresztül lítium-ion interkalációs/deinterkalációs reakciókon, míg az elektrolit és egyéb anyagok nem fogynak el. Ezért az a potenciál, amelynél a pozitív és negatív elektródák reverzibilisen interkalálják/deinterkalálják a lítium-ionokat, meghatározza az akkumulátor nyitott-áramköri feszültségét, és az interkaláló/deinterkaláló lítium-ionok mennyisége határozza meg az aktív anyag kapacitását. Számos globális lítium-ion akkumulátorgyártó és lítium-akkumulátor-beszállító támaszkodik ezekre az anyagjellemzőkre a stabil tömegtermelés és az egyenletes termékteljesítmény elérése érdekében.
A negatív elektród esetében a reakció az (1.2) egyenlet szerint megy végbe. Egy mól szén (12g) legfeljebb 1/6 mol lítium-ion interkalálható. Ezért a szénnegatív elektróda anyagának elméleti fajlagos kapacitása az
1/6 (mol) × 96 485 (Faraday-állandó, C/mol)/12 (g) =3400 C/g=372 (mA·h/g) (1,5)
Napi használat során, figyelembe véve az adszorpcióból és a szilárd elektrolit interfázis (SEI) film képződéséből adódó lítiumveszteséget, a szénanyagok ténylegesen elérhető fajlagos kapacitása 300-345 mA·h/g. A vezető lítium-ion akkumulátorcsomag-beszállítók ezt a szintet az optimalizált grafitösszetétel és a precíz bevonási folyamatok révén érik el.
A pozitív elektróda anyagának kapacitása a kivonható/behelyezhető lítium-ionok mennyiségétől függ. Ha például a LiCoO2-t vesszük, egy mól LiCoO₂re számítva legfeljebb 1 mol lítium-ion vehet részt a reakcióban. Ezért a LiCoO₂ elméleti fajlagos kapacitása (relatív molekulatömeg 97,86)
1 (mol) × 96 485 (C/mol)/97,86 (g) =985.95 C/g=273.9 (mA·h/g) (1,6)
A gyakorlatban a LiCoO₂ anyag kristálystabilitásának megőrzése érdekében általában a lítium-ionok 30-60%-a vesz részt a reakcióban. Ezért a LiCoO₂ anyag tényleges fajlagos kapacitása 137–164 mA·h/g. A nagy lítium-ion akkumulátor-gyártók a fejlett BMS segítségével szabályozzák a töltési és kisütési mélységet, hogy maximalizálják a ciklus élettartamát, miközben garantálják a biztonságot.
A lítium-vas-foszfát esetében 1 mol lítium-ion 1 mol lítium-vas-foszfát tud teljes mértékben részt venni a reakcióban. Ezért a lítium-vas-foszfát anyag elméleti és tényleges fajlagos kapacitása (relatív molekulatömege 157,8)
1 (mol) × 96 485 (C/mol)/157,8 (g) =611.44 C/g=169.8 (mA·h/g) (1,7)
A természetben a Li/Li⁺ standard redoxpotenciálja a legalacsonyabb, eléri a -3,04 V-ot (a standard hidrogénelektróddal szemben). Szén-negatív elektród anyagok esetén a lítium-ion extrakció és beillesztés potenciálja közel van a Li/Li⁺ egyensúlyi potenciálhoz. Az elektrokémiai elmélet szerint szobahőmérsékleten a szénnegatív elektród E elektródpotenciálja az
E=E fok + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
ahol
E fok - standard elektródpotenciál;
C(Li⁺) - lítium-ionok koncentrációja az elektrolit oldatban;
C(Li,C₆) - lítium-ionok koncentrációja a negatív elektródszénben.
Ha a lítium-ion koncentrációja az oldatban és a negatív elektród szénében közel van, akkor a negatív elektród elektródpotenciálja megegyezik a standard redukciós potenciál E fokával. Általában a lítium-ion koncentrációja az elektrolitban rögzített, így a lítium-ion koncentrációjának változása a negatív elektród szénében változást okoz a negatív elektródpotenciálban. Jelenleg nincs univerzális módszer a Li/C₆ pontos egyensúlyi potenciáljának kiszámítására változó x értékekkel. Általában kísérletileg határozzák meg. A kísérletek azt mutatják, hogy a grafit{4}alapú anyagok delithiációs potenciálja általában 0–0,4 V között változik (a Li/Li⁺-hez képest), így viszonylag alkalmas negatív elektródák az alkalmazásokhoz. Az 1.2. ábra egy grafit negatív elektróda tipikus töltési{10}}kisülési jelleggörbéjét mutatja.
A LiCoO₂ pozitív elektródaanyag esetén a lítium interkalációs/deinterkalációs folyamata egy{0}}fázisú reakció. Ahogy a pozitív elektród anyagában a lítium-ion koncentráció változik, a pozitív elektród potenciálja is változik. Tekintettel arra, hogy az elektrolitban a lítium-ion koncentrációja 1 mol/L, az (1.1) egyenletben szereplő reakció esetén az E pozitív elektródpotenciál
E=E fok + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
ahol
E fok - standard elektródpotenciál;
C(LiCoO₂) - LiCoO₂ koncentrációja a pozitív elektród anyagában;
C(Li⁺,CoO2) - Li⁺ és CoO₂ koncentrációja a pozitív elektród anyagában;
A lítium-ionok kivonása során a pozitív elektródpotenciál csökkenő tendenciát mutat.
A lítium-vas-foszfát anyag töltési-kisülési folyamata a lítium-vas-foszfátból vas-foszfáttá történő átalakulás a delitáció után.
A lítium-vas-foszfát elektródán a reakció az
LiFePO₄↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)
Lítium{0}}ion interkalációs/deinterkalációs folyamata két-fázisú reakció. Ezért a pozitív elektród anyagában a lítium-ion koncentráció változása nem befolyásolja a pozitív elektród potenciálváltozását. Egyensúlyi potenciálja az
E=E fok + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1,11)
A tiszta szilárd anyagok koncentrációja 1. Termodinamikai paraméterei alapján az elméleti egyensúlyi potenciál 3,4 V.
A lítium-vas-foszfát anyag tipikus töltés{0}}kisülési jelleggörbéje az 1.3. ábrán látható.
A lítium{0}}ion akkumulátorok teljesítményjellemzői
Más akkumulátorokhoz képest a lítium{0}}ion akkumulátorok a következő jellemzőkkel rendelkeznek, amelyeket széles körben elismernek a lítium-akkumulátorok forgalmazói és ipari ügyfelek:
Magas energiasűrűség.A lítium{0}}ion akkumulátorok energiasűrűsége eléri a 100 W·h/kg-ot és a 200 W·h/l-t vagy még többet. A legújabb hármas katód lítium{4}}akkumulátorok 200 W·h/kg tömegfajlagos energiát értek el. Magas-nikkel-szilícium-alapú anódanyagok és lítium-dús katódanyagok használatával a tömegfajlagos energia várhatóan eléri a 400 W·h/kg-ot, a térfogati energiasűrűség pedig a 900 W·h/L-t, ami messze meghaladja a hagyományos akkumulátorokat. Ezért a lítium{13}}ion akkumulátorokat széles körben használják hordozható elektronikai termékekben és elektromos járművekben.
Magas nyitott{0}}áramköri feszültség.A nem-vizes szerves oldószerek használata miatt az egycellás A nagyfeszültségű katódanyagok hatékony felhasználása egyetlen cella üzemi feszültségét 4,5–5 V-ra növelheti, ami az egyik fontos oka a lítium-ion akkumulátorok nagy energiasűrűségének.
Nagy{0}}töltési és kisütési sebességre képes.Például az összes polimer elektrolitot használó -szilárd-szilárd lítium-ion akkumulátor 10 C feletti kisülési sebességet érhet el jó biztonsággal; a lítium-vas-foszfátot katódként használó lítium-ion akkumulátorok 100 C-os kisülést tudnak elérni.
Alacsony önkisülési arány-.Szobahőmérsékleten a lítium-akkumulátorok havi önkisülési aránya általában kevesebb, mint 10%, alacsonyabb, mint a nikkel-metálhidrid akkumulátoroké (15%), és fele a nikkel-kadmium akkumulátorokénak. A lítium-vas-foszfát akkumulátorok önkisülési aránya általában kevesebb, mint 3%.
Környezetbarát,nem tartalmaz ólmot, kadmiumot, higanyt vagy egyéb káros anyagokat, és nem szennyezi a környezetet.
Nincs memóriaeffektus.A memóriaeffektus arra a jelenségre utal, amikor az akkumulátor kapacitása csökken, amikor újratöltjük, mielőtt teljesen lemerülne, vagy a teljes feltöltés előtt használatban van (a memóriaeffektus nem kapacitáscsökkenés). A lítium-ionos akkumulátoroknak nincs memóriaeffektusuk.
Jó biztonság.A lítium{0}}ionos akkumulátorok általában szén anyagokat használnak negatív elektródaként, amelynek elektródapotenciálja közel van a fémes lítium potenciáljához. A lítium-ionok reverzibilisen interkalálódhatnak és deinterkalálódhatnak a szénben, nagymértékben csökkentve a lítium-fémlerakódás valószínűségét és jelentősen javítva az akkumulátor biztonságát. Az elmúlt években lángkésleltető adalékok, égésgátló adalékok, égésgátló szeparátorok, PTC (pozitív hőmérsékleti együttható) eszközök, robbanásbiztos szelepek, akkumulátor-kezelő rendszerek és egyéb technológiák rendkívül magas biztonságot biztosítottak a lítium-ion akkumulátorok számára.
Hosszú ciklus élettartam.A lítium{0}}ion akkumulátorok élettartama általában több mint 500 ciklus. A lítium-vas-foszfát akkumulátorok élettartama általában 2000-3000 ciklus. Nagy ciklusképességű anód anyagrendszerekkel (például lítium-titanáttal) kombinálva több mint 10 000 ciklus érhető el. Ez teszi a lítium-vas-foszfát akkumulátorokat a legjobb választássá az energiatároló akkumulátor-rendszerekhez és a nagy-méretű ESS-projektekhez.
