Apakah Ciri-ciri Bateri Litium-ion?
Kapasiti dan Daya Elektromotif Bahan Bateri Litium-ion
Semasa pengecasan-tindak balas nyahcas bateri litium-, hanya bahan aktif elektrod positif dan negatif yang mengalami-tindak balas interkalasi/penyahinterkalaan litium, manakala elektrolit dan bahan lain tidak digunakan. Oleh itu, potensi bahan elektrod positif dan negatif boleh berterbalikkan/menyahinterkala ion litium menentukan-voltan litar terbuka bateri dan jumlah ion litium yang berselang/menyahinterkala menentukan kapasiti bahan aktif. Banyak pengeluar bateri lithium-ion global dan pembekal bateri-ion litium bergantung pada ciri bahan ini untuk mencapai pengeluaran besar-besaran yang stabil dan prestasi produk yang konsisten.
Bagi elektrod negatif, tindak balas berlaku mengikut Persamaan (1.2). Setiap mol karbon (12g), maksimum 1/6 mol ion litium boleh diselingi. Oleh itu, kapasiti khusus teori bahan elektrod negatif karbon adalah
1/6(mol)×96485(Pemalar Faraday,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
Dalam penggunaan harian, memandangkan kehilangan litium akibat penjerapan dan pembentukan filem interphase elektrolit pepejal (SEI), kapasiti spesifik sebenar bahan karbon yang boleh dicapai ialah 300–345 mA·h/g. Pembekal pek bateri-ion litium terkemuka mencapai tahap ini melalui perumusan grafit yang dioptimumkan dan proses salutan yang tepat.
Bagi bahan elektrod positif, kapasitinya bergantung kepada jumlah ion litium yang boleh diekstrak/dimasukkan. Mengambil LiCoO₂ sebagai contoh, sehingga 1 mol ion litium setiap mol LiCoO₂ boleh mengambil bahagian dalam tindak balas. Oleh itu, kapasiti spesifik teori LiCoO₂ (jisim molekul relatif 97.86) ialah
1(mol)×96485(C/mol)/97.86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)
Dalam amalan, untuk mengekalkan kestabilan kristal bahan LiCoO₂, secara amnya hanya 30%–60% daripada ion litium mengambil bahagian dalam tindak balas. Oleh itu, kapasiti spesifik sebenar bahan LiCoO₂ ialah 137–164 mA·h/g. Bateri litium-ion utama pengeluar OEM mengawal kedalaman cas dan nyahcas melalui BMS lanjutan untuk memaksimumkan hayat kitaran sambil memastikan keselamatan.
Untuk fosfat besi litium, 1 mol ion litium setiap mol fosfat besi litium boleh mengambil bahagian sepenuhnya dalam tindak balas. Oleh itu, kapasiti spesifik teori dan sebenar bahan fosfat besi litium (jisim molekul relatif 157.8) ialah
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)
Secara semula jadi, potensi redoks piawai Li/Li⁺ adalah yang paling rendah, mencecah -3.04 V (berbanding elektrod hidrogen standard). Untuk bahan elektrod negatif karbon, potensi pengekstrakan dan pemasukan litium-ion adalah berhampiran potensi keseimbangan Li/Li⁺. Menurut teori elektrokimia, pada suhu bilik, potensi elektrod E elektrod negatif karbon adalah
E=E darjah + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
di mana
E darjah - potensi elektrod piawai;
C(Li⁺) - kepekatan ion litium dalam larutan elektrolit;
C(Li,C₆) - kepekatan ion litium dalam karbon elektrod negatif.
Apabila kepekatan ion litium dalam larutan dan dalam karbon elektrod negatif hampir, potensi elektrod elektrod negatif sama dengan potensi pengurangan piawai E darjah . Secara amnya, kepekatan ion litium dalam elektrolit adalah tetap, jadi perubahan kepekatan ion litium dalam karbon elektrod negatif akan menyebabkan perubahan dalam potensi elektrod negatif. Pada masa ini tiada kaedah universal untuk mengira potensi keseimbangan yang tepat bagi Li/C₆ dengan nilai x yang berbeza-beza. Ia biasanya ditentukan secara eksperimen. Eksperimen menunjukkan bahawa potensi delitiasi bahan berasaskan grafit-umumnya berbeza antara 0–0.4 V (vs. Li/Li⁺), menjadikannya bahan elektrod negatif yang agak sesuai untuk aplikasi. Rajah 1.2 menunjukkan lengkung ciri caj{10}}biasa bagi elektrod negatif grafit.
Untuk bahan elektrod positif LiCoO₂, proses interkalasi/nyahinterkalasi litium ialah satu-tindak balas fasa. Apabila kepekatan ion litium dalam bahan elektrod positif berubah, potensi elektrod positif juga berubah. Memandangkan kepekatan ion litium dalam elektrolit ialah 1 mol/L, untuk tindak balas dalam Persamaan (1.1), potensi elektrod positif E ialah
E=E darjah + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
di mana
E darjah - potensi elektrod piawai;
C(LiCoO₂) - kepekatan LiCoO₂ dalam bahan elektrod positif;
C(Li⁺,CoO₂) - kepekatan Li⁺ dan CoO₂ dalam bahan elektrod positif;
Apabila ion litium diekstrak, potensi elektrod positif menunjukkan arah aliran menurun.
Proses cas-penyahcasan bahan fosfat besi litium ialah penukaran daripada fosfat besi litium kepada fosfat besi selepas delitiasi.
Tindak balas pada elektrod fosfat besi litium ialah
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Proses interkalasi/nyahinterkalasi litium-ionnya ialah tindak balas dua-fasa. Oleh itu, perubahan dalam kepekatan ion litium dalam bahan elektrod positif tidak menjejaskan potensi perubahan elektrod positif. Potensi keseimbangannya ialah
E=E darjah + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Kepekatan pepejal tulen ialah 1. Berdasarkan parameter termodinamiknya, potensi keseimbangan teori ialah 3.4 V.
Lengkung ciri caj-biasa bagi bahan fosfat besi litium ditunjukkan dalam Rajah 1.3.
Ciri Prestasi Bateri Litium-ion
Berbanding dengan bateri lain, bateri-ion litium mempunyai ciri berikut yang diiktiraf secara meluas oleh pengedar bateri-ion litium dan pelanggan industri:
Ketumpatan tenaga tinggi.Ketumpatan tenaga bateri ion litium-mencapai 100 W·h/kg dan 200 W·h/L atau lebih. Bateri ion litium-ternary katod terbaharu telah mencapai tenaga khusus jisim 200 W·h/kg. Menggunakan bahan anod berasaskan-nikel silikon-tinggi dan bahan katod kaya litium-, tenaga khusus jisim dijangka mencapai 400 W·h/kg dan ketumpatan tenaga isipadu 900 W·h/L, jauh melebihi bateri tradisional. Oleh itu, bateri{13}}ion litium digunakan secara meluas dalam produk elektronik mudah alih dan kenderaan elektrik.
Voltan litar-terbuka tinggi.Disebabkan penggunaan pelarut organik bukan-air, voltan sel-tunggal mencapai 3.6–3.8 V, iaitu 2–3 kali ganda daripada bateri kadmium-nikel-atau nikel-bateri. Penggunaan bahan katod-bervoltan tinggi dengan berkesan boleh meningkatkan voltan kendalian sel tunggal kepada 4.5–5 V, yang merupakan salah satu sebab penting bagi ketumpatan tenaga tinggi bateri-ion litium.
Mampu melakukan-kadar cas dan nyahcas yang tinggi.Contohnya, semua-bateri litium-keadaan pepejal-yang menggunakan elektrolit polimer boleh mencapai kadar nyahcas melebihi 10C dengan keselamatan yang baik; bateri lithium-ion menggunakan litium besi fosfat kerana katod boleh mencapai nyahcas 100C.
Kadar pelepasan diri{0}}rendah.Pada suhu bilik, kadar nyahcas sendiri bulanan-bateri lithium-biasanya kurang daripada 10%, lebih rendah daripada nikel-bateri hidrida logam (15%) dan separuh daripada bateri nikel-kadmium. Kadar nyahcas sendiri-bateri litium besi fosfat biasanya kurang daripada 3%.
mesra alam,tidak mengandungi plumbum, kadmium, merkuri, atau bahan berbahaya yang lain, dan tidak mencemarkan alam sekitar.
Tiada kesan ingatan.Kesan memori merujuk kepada fenomena di mana kapasiti bateri berkurangan apabila dicas semula sebelum dinyahcas sepenuhnya atau digunakan sebelum dicas penuh (kesan memori bukan pereputan kapasiti). Bateri litium-tidak mempunyai kesan ingatan.
Keselamatan yang baik.Bateri litium-biasanya menggunakan bahan karbon sebagai elektrod negatif, yang mempunyai potensi elektrod hampir dengan litium logam. Ion litium boleh berinterkalasi dan deinterkalasi secara berbalik dalam karbon, mengurangkan kebarangkalian pemendapan logam litium dan meningkatkan keselamatan bateri dengan ketara. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini,-tambahan kalis nyalaan,-pemisah kalis nyalaan, peranti PTC (pekali suhu positif), injap kalis-letupan, sistem pengurusan bateri dan teknologi lain telah memastikan keselamatan bateri ion litium-yang sangat tinggi.
Kitaran hayat yang panjang.Hayat kitaran bateri-ion litium biasanya lebih daripada 500 kitaran. Hayat kitaran bateri litium besi fosfat biasanya 2000–3000 kitaran. Apabila dipadankan dengan sistem bahan anod dengan keupayaan kitaran tinggi (seperti lithium titanate), lebih daripada 10,000 kitaran boleh dicapai. Ini menjadikan bateri litium besi fosfat pilihan terbaik untuk sistem bateri simpanan tenaga dan projek ESS-besar.
