Hvad er egenskaberne ved lithium-ion-batterier?

Kapacitet og elektromotorisk kraft af lithium-ion-batterimaterialer

Under opladnings-afladningsreaktionen af ​​lithium-ionbatterier er det kun de aktive materialer i de positive og negative elektroder, der gennemgår lithium-ioninterkalerings-/deinterkaleringsreaktioner, mens elektrolytten og andre materialer ikke forbruges. Derfor bestemmer det potentiale, ved hvilket de positive og negative elektrodematerialer reversibelt interkalerer/deinterkalerer lithiumioner, batteriets åbne-kredsløbsspænding, og mængden af ​​lithiumioner, der interkalerer/deinterkalerer, bestemmer kapaciteten af ​​det aktive materiale. Mange globale producenter af lithium-ionbatterier og leverandører af lithium-ionbatterier stoler på disse materialeegenskaber for at opnå stabil masseproduktion og ensartet produktydeevne.

For den negative elektrode sker reaktionen ifølge ligning (1.2). Per mol kulstof (12g) kan maksimalt 1/6 mol lithiumioner indskydes. Derfor er den teoretiske specifikke kapacitet af kulstofnegativ elektrodemateriale
1/6(mol)×96485(Faraday-konstant,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

Ved daglig brug er den faktisk opnåelige specifikke kapacitet af kulstofmaterialer 300-345 mA·h/g i betragtning af lithiumtab på grund af adsorption og dannelsen af ​​den faste elektrolytinterfase-film (SEI). Førende leverandører af lithium-ionbatteripakker opnår dette niveau gennem optimeret grafitformulering og præcise belægningsprocesser.

For det positive elektrodemateriale afhænger dets kapacitet af mængden af ​​lithiumioner, der kan udvindes/indsættes. Tager man LiCoO₂ som eksempel, kan op til 1 mol lithiumioner pr. mol LiCoO₂ deltage i reaktionen. Derfor er den teoretiske specifikke kapacitet af LiCoO₂ (relativ molekylvægt 97,86)
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

I praksis, for at opretholde krystalstabiliteten af ​​LiCoO₂-materiale, deltager generelt kun 30%-60% af lithiumionerne i reaktionen. Derfor er den faktiske specifikke kapacitet af LiCoO₂-materiale 137-164 mA·h/g. Store OEM-producenter af lithium-ionbatterier kontrollerer dybden af ​​opladning og afladning gennem avanceret BMS for at maksimere cykluslevetiden og samtidig sikre sikkerheden.

For lithiumjernfosfat kan 1 mol lithiumioner pr. mol lithiumjernfosfat deltage fuldt ud i reaktionen. Derfor er den teoretiske og faktiske specifikke kapacitet af lithiumjernphosphatmateriale (relativ molekylvægt 157,8)
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)

I naturen er standard redoxpotentialet for Li/Li⁺ det laveste og når -3,04 V (mod standard brintelektrode). For kulstofnegative elektrodematerialer er potentialet for lithium-ion-ekstraktion og -indsættelse tæt på Li/Li⁺-ligevægtspotentialet. Ifølge elektrokemisk teori er elektrodepotentialet E for den negative kulstofelektrode ved stuetemperatur

E=E-grad + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)

hvor
E-grad - standardelektrodepotentiale;
C(Li⁺) - koncentration af lithiumioner i elektrolytopløsningen;
C(Li,C₆) - koncentration af lithiumioner i den negative elektrodekulstof.

Når lithiumionkoncentrationen i opløsningen og i den negative elektrodekulstof er tæt på, er den negative elektrodes elektrodepotentiale lig med standardreduktionspotentialet E-grad. Generelt er lithiumionkoncentrationen i elektrolytten fast, så ændringer i lithiumionkoncentrationen i det negative elektrodekulstof vil forårsage ændringer i det negative elektrodepotentiale. Der er i øjeblikket ingen universel metode til at beregne det præcise ligevægtspotentiale for Li/C₆ med varierende x-værdier. Det bestemmes generelt eksperimentelt. Eksperimenter viser, at delithiationspotentialet for grafit-baserede materialer generelt varierer mellem 0-0,4 V (i forhold til Li/Li⁺), hvilket gør dem relativt velegnede negative elektrodematerialer til applikationer. Figur 1.2 viser den typiske ladnings{10}}afladningskarakteristikkurve for en negativ grafitelektrode.

For LiCoO₂-positive elektrodemateriale er lithium-interkalations-/deinterkalationsprocessen en enkelt-reaktion. Når lithiumionkoncentrationen i det positive elektrodemateriale ændres, ændres potentialet af den positive elektrode også. I betragtning af at lithiumionkoncentrationen i elektrolytten er 1 mol/L, er det positive elektrodepotentiale E for reaktionen i ligning (1.1)

E=E-grad + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)

hvor
E-grad - standardelektrodepotentiale;
C(LiCoO₂) - koncentration af LiCoO₂ i det positive elektrodemateriale;
C(Li⁺,CoO₂) --koncentration af Li⁺ og CoO₂ i det positive elektrodemateriale;
Når lithiumioner udvindes, viser det positive elektrodepotentiale en nedadgående tendens.

Ladning-afledningsprocessen for lithiumjernphosphatmateriale er omdannelsen fra lithiumjernphosphat til jernphosphat efter delithiation.

Reaktionen ved lithiumjernphosphatelektroden er
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)

Dens lithium-ion-interkalations-/deinterkaleringsproces er en to-reaktion. Derfor påvirker ændringer i lithiumionkoncentrationen i det positive elektrodemateriale ikke potentialeændringen af ​​den positive elektrode. Dens ligevægtspotentiale er

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

Koncentrationen af ​​rene faste stoffer er 1. Baseret på dets termodynamiske parametre er det teoretiske ligevægtspotentiale 3,4 V.

Den typiske ladnings-udledningskarakteristiske kurve for lithiumjernphosphatmateriale er vist i figur 1.3.

Ydelseskarakteristika for lithium-ion-batterier

Sammenlignet med andre batterier har lithium-ionbatterier følgende egenskaber, som er almindeligt anerkendt af lithium-ionbatteridistributører og industrielle kunder:

Høj energitæthed.Energitætheden for lithium-ion-batterier når 100 W·h/kg og 200 W·h/L eller mere. Nylige ternære katode lithium-ion-batterier har opnået en massespecifik energi på 200 W·h/kg. Ved at bruge-nikkelsilicium-baserede anodematerialer og lithium-rige katodematerialer forventes den massespecifikke energi at nå 400 W·h/kg og den volumetriske energitæthed 900 W·h/L, hvilket langt overstiger traditionelle batterier. Derfor er lithium-ion-batterier meget brugt i bærbare elektroniske produkter og elektriske køretøjer.

Høj åben-spænding.På grund af brugen af ​​ikke-vandige organiske opløsningsmidler når enkelt-cellespændingen 3,6-3,8 V, hvilket er 2-3 gange højere end nikkel-metalhydrid- eller nikkel-cadmium-batterier. Effektiv udnyttelse af højspændingskatodematerialer kan øge driftsspændingen for en enkelt celle til 4,5-5 V, hvilket er en af ​​de vigtige årsager til lithium-ionbatteriers høje energitæthed.

I stand til høj-opladning og afladning.For eksempel kan alle-faststof-lithium-ion-batterier, der anvender polymerelektrolytter, opnå afladningshastigheder over 10C med god sikkerhed; lithium-ionbatterier, der bruger lithiumjernfosfat som katode, kan opnå 100C afladning.

Lav -selvafladningshastighed.Ved stuetemperatur er den månedlige selvafladningshastighed for lithium-ionbatterier generelt mindre end 10 %, lavere end nikkel-metalhydridbatterier (15 %) og halvdelen af ​​nikkel-cadmiumbatterier. Selvafladningshastigheden for lithiumjernphosphatbatterier er generelt mindre end 3 %.

Miljøvenlig,uden bly, cadmium, kviksølv eller andre skadelige stoffer og forurener ikke miljøet.

Ingen hukommelseseffekt.Hukommelseseffekt refererer til det fænomen, hvor batterikapaciteten falder, når den genoplades, før den er helt afladet eller brugt, før den er fuldt opladet (hukommelseseffekten er ikke kapacitetsforfald). Lithium-ion-batterier har ingen hukommelseseffekt.

God sikkerhed.Lithium-ion-batterier bruger generelt kulstofmaterialer som den negative elektrode, som har et elektrodepotentiale tæt på metallisk lithium. Lithiumioner kan reversibelt interkalere og deintercalere i kulstof, hvilket i høj grad reducerer sandsynligheden for lithiummetalaflejring og forbedrer batterisikkerheden betydeligt. I de senere år har flamme-tilsætningsstoffer, flammehæmmende-separatorer, PTC-enheder (positiv temperaturkoefficient), eksplosionssikre-ventiler, batteristyringssystemer og andre teknologier sikret ekstrem høj sikkerhed for lithium-ion-batterier.

Lang cyklus levetid.Cyklustiden for lithium-ion-batterier er generelt mere end 500 cyklusser. Cyklustiden for lithiumjernphosphatbatterier er generelt 2000-3000 cyklusser. Når det matches med anodematerialesystemer med høj cykluskapacitet (såsom lithiumtitanat), kan der opnås mere end 10.000 cyklusser. Dette gør lithiumjernfosfatbatterier til det bedste valg til energilagringsbatterisystemer og store-ESS-projekter.