Introduktion til lithium-ion-batterier
Arbejdsprincippet for lithium-ion-batterier
Et lithium-ionbatteri består hovedsageligt af en positiv elektrode, en negativ elektrode, en elektrolyt, der leder lithiumioner, og enseparatorog et hus, der adskiller de positive og negative elektroder. Det positive elektrodemateriale er generelt en forbindelse, der muliggør reversibel indsættelse og ekstraktion af lithiumioner, såsom lithiumcobaltoxid (LiCoO₂), lithiumnikkeloxid (LiNiO₂), lithiummanganoxid (LiMn₂O₄) eller ternære materialer (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). Elektrolytten er sammensat af lithiumsalte (almindelige lithiumsalte omfatter LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB osv.) opløst i et specifikt opløsningsmiddel (hovedsageligt en blanding af ethylencarbonat (EC), diethylcarbonat (DEC), dimethylcarbonat (DMC), propylenkarbonat, osv., i en vis mængde). Separatormaterialet er generelt en polyolefinharpiks, der almindeligvis anvender enkelt--- eller flerlags polypropylen (PP) og polyethylen (PE) mikroporøse membraner, såsom Celgard 2300-separatoren. Den negative elektrode bruger typisk materialer, der er i stand til lithium interkalation, såsom petroleumskoks, ren grafit og lagdelt grafit blandet kulstof. Reaktionen i et lithium-ionbatteri, der bruger kulstof (C₆) som den negative elektrode og overgangsmetaloxidet LiMeO₂ som den positive elektrode, er som følger.
Under opladning:
Under udskrivelsen:
Under opladning frigives lithiumioner fra den positive elektrode og indsættes i den negative elektrode; under afladning frigives lithium-ioner fra den negative elektrode og indsættes i den positive elektrode. Med andre ord, under opladning og afladning bevæger lithiumioner sig frem og tilbage mellem de positive og negative elektroder, ligesom en gyngestol. Derfor kaldes lithium-ion-batterier også "gyngestolsbatterier". Deres arbejdsprincip kan illustreres af figur 1.1.
Under normale opladnings- og afladningsforhold forårsager indsættelse og ekstraktion af lithiumioner mellem lagdelte kulmaterialer og oxidpartikler eller mellem lag i lithium-ionbatterier generelt kun ændringer i mellemlagets afstand og beskadiger ikke krystalstrukturen. Under opladning og afladning forbliver de kemiske strukturer af de positive og negative elektrodematerialer i det væsentlige uændrede. Ud fra perspektivet af reversibiliteten af ladnings-afladningsreaktionen er indsættelse og ekstraktion af lithiumioner i batterimaterialerne derfor en ideel reaktionsproces. Baseret på disse egenskaber er lithium-ionbatterier overlegne i ydeevne i forhold til nikkel-cadmium- og nikkel-metalhydridbatterier.
Lithium-ion batteriklassificering
Lithium-ion-batterier kan klassificeres efter det anvendte katodemateriale, udseende og størrelse, cellefremstillingsmetode, emballagetype og anvendelsesegenskaber.
Baseret på det anvendte katodemateriale kan lithium-ion-batterier opdeles i lithium-cobolt-oxid-batterier, lithium-mangan-oxid-batterier, ternære lithium-batterier og lithium-jernphosphat-batterier.
Lithium-koboltoxid-batterier har en nominel spænding på 3,7V og et driftsspændingsområde på 2,4~4,2V. Lithium-koboltoxid-batterier har en stabil struktur, høj specifik kapacitet og enestående generel ydeevne, men deres sikkerhed er dårlig, og deres omkostninger er høje, hovedsageligt brugt i små og mellemstore-celler. I de senere år er der udviklet højspændingslithium-koboltoxidmaterialer, som kan øge batteriets øvre grænsespænding til 4,3V eller 4,35V og derved effektivt forbedre batterikapaciteten og energitætheden. I øjeblikket har lithium-koboltoxid-batterier den højeste volumetriske energitæthed, når de når 550Wh/kg, hvilket gør dem til det eneste valg til at forsyne avancerede{11}}mobiltelefoner og andre elektroniske produkter.
Lithium mangan oxide (MMANO) batterier har en nominel spænding på 3,8V og et driftsspændingsområde på 2,5V til 4,2V. Overladningsbeskyttelsesspændingen er 4,28V ± 0,025V, og over-afladningsbeskyttelsesspændingen er 2,5V ± 0,1V. MMANO-batterier er lave{10}}og har god sikkerhed. Imidlertid er lithiummanganoxidmaterialet i sig selv relativt ustabilt og tilbøjeligt til nedbrydning, hvilket producerer gas og hævelse. Dens cykluslevetid falder relativt hurtigt, dens levetid er relativt kort, og dens ydeevne ved høje-temperaturer er dårlig. Det bruges hovedsageligt i billige-mellemstore-til-store-celler til fremstilling af strømbatterier.
Ternære lithium-ion-batterier (TLC) har en nominel spænding på 3,6V og et driftsspændingsområde på 2,75V til 4,2V. Overladningsbeskyttelsesspændingen er 4,28V ± 0,025V, og over-afladningsbeskyttelsesspændingen er 2,75V ± 0,1V. TLC-batterier har en god samlet ydeevne, er billigere end lithium-koboltoxid (LCO) og tilbyder forbedret sikkerhed. De kan bruges i strømbatterier, og deres markedsandel på katodematerialemarkedet stiger år for år. Små lithium-ionbatterier, der bruger ternære lithium-ionmaterialer, bliver gradvist accepteret af markedet. Ternære materialer kan også blandes med lithiumcobaltoxid og lithiummanganoxid til brug i stål-beklædt, aluminium-beklædt, pose, polymer og cylindriske lithium-ionbatterier, hvilket kan reducere batteriomkostningerne betydeligt og forbedre den samlede ydeevne. I øjeblikket kan batterier i ternære materialer opnå en energitæthed på 180 Wh/kg (26650 stål-batterier kan nå en kapacitet på 4600 mAh/kg med en vægt på 90 g), hvilket giver en klar fordel i omkostningseffektivitet-.
Lithium jernfosfat (LFP) batterier har en nominel spænding på 3,2V og et driftsspændingsområde på 2,5~3,75V. Overladningsbeskyttelsesspændingen er 3,75V±0,025V, og over-afladningsbeskyttelsesspændingen er 2,5V±0,1V. Den største fordel ved LFP-batterier er stabiliteten og ikke{10}}nedbrydningen af det positive elektrodemateriale, hvilket giver dem uovertruffen sikkerhed sammenlignet med andre positive elektrodematerialesystemer. LFP-batterier har en lang levetid, er rigelige af ressourcer og er miljøvenlige. De har dog en platform med lav udledning og dårlig{13}}lavtemperaturydelse.
Baseret på udseende og størrelse kan lithium-ion-batterier opdeles i cylindriske batterier og prismatiske batterier osv.
Baseret på cellefremstillingsmetoden kan lithium-ion-batterier opdeles i viklede batterier (cylindrisk viklet og fladt viklet), stablede batterier osv.
Baseret på emballagematerialetype kan lithium-ion-batterier opdeles i-stålbatterier,-aluminiumsbatterier,-plastikbatterier, bløde-batterier osv.
Baseret på applikationsegenskaber kan lithium-ion-batterier opdeles i høj-temperaturbatterier, lav-temperaturbatterier, strømbatterier og kapacitetsbatterier osv.
Baseret på deres anvendelsesområder kan lithium-ion-batterier klassificeres som: backup-batterier, strømbatterier og energilagringsbatterier.
Anvendelser af lithium-ion-batterier
Det kan siges, at siden opfindelsen af batteriet er intet andet batteriprodukt blevet brugt så hurtigt og bredt som lithium-ion-batteriet. Fra urstrømforsyningen til computer-CPU'er til de store lithium-ion-batteripakker, der bruges i biler og ubåde, er kapacitetsforskellen mere end 10 millioner gange. De har brede anvendelser i dagligdagen, medicinsk udstyr, elektriske køretøjer, energilagringskraftværker, rumfart og militæret.
Efter mere end 10 års popularisering er lithium-ion-batterier blevet det eneste strømsystem, der er meget udbredt i digitale produkter såsom mobiltelefoner og bærbare computere. På grund af deres høje specifikke energi bruges de også i vid udstrækning i elværktøj, elektriske cykler, elektriske busser, vind- og solenergilagringskraftværker, mobile kommunikationsbasestationer, strømforsyninger til minelamper, strømforsyninger til mineredningskapsler, strømforsyninger til militære individuelle soldater, radioer, satellitbatterier og mange andre applikationer. Ifølge statistikker nåede markedsstørrelsen for Kinas lithiumbatteriindustri i 2011 op på 39,7 milliarder yuan, en årlig-til-stigning på 43 %, og den årlige produktion af lithiumbatterier nåede 2,97 milliarder enheder, en år-til-stigning på 28,6 %. Lithiumbatteriindustrien er blevet en vigtig industriel retning for den nationale økonomi²¹.
