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 fogyasztanak el. Ezért az a potenciál, amelynél a pozitív és negatív elektródák reverzibilisen interkalálják/deinterkalálják a lítium-ionokat, határozza meg 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-ion akkumulátor-beszállító támaszkodik ezekre az anyagjellemzőkre a stabil tömeggyártás és a folyamatos termékteljesítmény elérése érdekében.
A negatív elektród esetében a reakció az (1.2) egyenlet szerint megy végbe. Egy mól szénre (12g) legfeljebb 1/6 mol lítium-ion helyezhető be. Ezért a szénnegatív elektród 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 fő lítium-ion akkumulátor-gyártók a fejlett BMS-en keresztül 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 elektrolitoldatban;
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 negatív elektród szén lítium-ion-koncentrációjában bekövetkező változások változást okoznak a negatív elektródpotenciálban. Jelenleg nincs univerzális módszer a Li/C₆ pontos egyensúlyi potenciáljának kiszámítására változó x értékekkel. Általában kísérleti úton határozzák meg. A kísérletek azt mutatják, hogy a grafit{4} alapú anyagok delitációs 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 reakció a lítium-vas-foszfát elektródánál 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 töltési-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 katódos 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 jóval 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 feszültség eléri a 3,6-3,8 V-ot, ami 2-3-szorosa a nikkel-fémhidrid vagy nikkel-kadmium akkumulátorokénak. 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-ionos akkumulátorok, amelyek katódként lítium-vas-foszfátot használnak, 100 C-os kisülést érhetnek el.
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 újratöltik, mielőtt teljesen lemerülnének, vagy a teljes feltöltés előtt használatban vannak (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, lángkésleltető szeparátorok, PTC (pozitív hőmérsékleti együttható) eszközök, robbanásbiztos szelepek, akkumulátorkezelő 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-léptékű ESS-projektekhez.
