რა არის ლითიუმის-იონური ბატარეების მახასიათებლები?
ლითიუმის-იონური ბატარეის მასალების სიმძლავრე და ელექტრომოძრავი ძალა
ლითიუმის-იონური ბატარეების დატენვის-დამუხტვის რეაქციის დროს, მხოლოდ დადებითი და უარყოფითი ელექტროდების აქტიური მასალები განიცდიან ლითიუმის-იონური ინტერკალაციის/დეინტერკალაციის რეაქციებს, ხოლო ელექტროლიტი და სხვა მასალები არ მოიხმარება. აქედან გამომდინარე, პოტენციალი, რომლითაც დადებითი და უარყოფითი ელექტროდის მასალები შექცევადად ახდენენ ლითიუმის იონებს/დეინტერკალაციას, განსაზღვრავს ბატარეის ღია-წრეში ძაბვას, ხოლო ლითიუმის იონების ჩარევა/დეინტერკალირება განსაზღვრავს აქტიური მასალის სიმძლავრეს. ბევრი გლობალური ლითიუმის-იონური ბატარეების მწარმოებელი და ლითიუმის-იონური ბატარეების მომწოდებლები ეყრდნობიან ამ მასალის მახასიათებლებს სტაბილური მასობრივი წარმოებისა და პროდუქტის თანმიმდევრული მუშაობის მისაღწევად.
უარყოფითი ელექტროდისთვის რეაქცია ხდება (1.2) განტოლების მიხედვით. ნახშირბადის თითო მოლზე (12გრ) შესაძლებელია მაქსიმუმ 1/6 მოლი ლითიუმის იონების ჩარევა. ამრიგად, ნახშირბად-უარყოფითი ელექტროდის მასალის თეორიული სპეციფიკური სიმძლავრე არის
1/6 (მოლ)×96485 (ფარადეის მუდმივი, C/mol)/12 (გ)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
ყოველდღიური გამოყენებისას, ადსორბციის გამო ლითიუმის დაკარგვისა და მყარი ელექტროლიტური ინტერფაზის (SEI) ფირის წარმოქმნის გათვალისწინებით, ნახშირბადის მასალების რეალური მიღწევადი სპეციფიკური სიმძლავრეა 300-345 mA·h/g. ლითიუმის-იონური ბატარეების წამყვანი მომწოდებლები აღწევენ ამ დონეს ოპტიმიზებული გრაფიტის ფორმულირებისა და დაფარვის ზუსტი პროცესების მეშვეობით.
დადებითი ელექტროდის მასალისთვის, მისი სიმძლავრე დამოკიდებულია ლითიუმის იონების რაოდენობაზე, რომლის ამოღება/ჩასმაც შესაძლებელია. LiCoO2-ის მაგალითით, 1 მოლ-მდე ლითიუმის იონები თითო მოლ LiCoO2-ს შეუძლია მონაწილეობა მიიღოს რეაქციაში. მაშასადამე, LiCoO2-ის თეორიული სპეციფიკური სიმძლავრე (შეფარდობითი მოლეკულური მასა 97,86) არის
1(მოლი)×96485(C/მოლი)/97.86(გ)=985.95C/გ=273.9(mA·h/g) (1.6)
პრაქტიკაში, LiCoO2 მასალის კრისტალური სტაბილურობის შესანარჩუნებლად, ჩვეულებრივ რეაქციაში მონაწილეობს ლითიუმის იონების მხოლოდ 30%-60%. ამრიგად, LiCoO2 მასალის რეალური სპეციფიკური სიმძლავრე არის 137–164 mA·h/g. ძირითადი ლითიუმ-იონური ბატარეების OEM მწარმოებლები აკონტროლებენ დატენვისა და განმუხტვის სიღრმეს მოწინავე BMS-ის საშუალებით, რათა მაქსიმალურად გაზარდონ ციკლის სიცოცხლე და უზრუნველყონ უსაფრთხოება.
ლითიუმის რკინის ფოსფატისთვის, 1 მოლი ლითიუმის იონები თითო მოლ ლითიუმის რკინის ფოსფატს შეუძლია სრულად მიიღოს რეაქციაში. აქედან გამომდინარე, ლითიუმის რკინის ფოსფატის მასალის თეორიული და ფაქტობრივი სპეციფიკური სიმძლავრე (შეფარდობითი მოლეკულური მასა 157.8) არის
1(მოლ)×96485(C/მოლი)/157.8(გ)=611.44C/გ=169.8(mA·h/g) (1.7)
ბუნებაში, Li/Li⁺-ის სტანდარტული რედოქს პოტენციალი ყველაზე დაბალია, აღწევს -3.04 ვ-ს (სტანდარტულ წყალბადის ელექტროდთან შედარებით). ნახშირბადის უარყოფითი ელექტროდის მასალებისთვის, ლითიუმ-იონის მოპოვებისა და ჩასმის პოტენციალი ახლოს არის Li/Li⁺ წონასწორობის პოტენციალის მახლობლად. ელექტროქიმიური თეორიის მიხედვით, ოთახის ტემპერატურაზე ნახშირბადის უარყოფითი ელექტროდის ელექტროდის პოტენციალი E არის
E=E ხარისხი + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
სადაც
E ხარისხი - სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალი;
C(Li⁺) - ლითიუმის იონების კონცენტრაცია ელექტროლიტის ხსნარში;
C(Li,C₆) - ლითიუმის იონების კონცენტრაცია უარყოფით ელექტროდში ნახშირბადში.
როდესაც ლითიუმის იონის კონცენტრაცია ხსნარში და ნახშირბადის უარყოფით ელექტროდში ახლოსაა, უარყოფითი ელექტროდის ელექტროდის პოტენციალი უდრის სტანდარტული შემცირების პოტენციალის E ხარისხის . ზოგადად, ლითიუმის იონის კონცენტრაცია ელექტროლიტში ფიქსირდება, ამიტომ ლითიუმის იონის კონცენტრაციის ცვლილებები უარყოფით ელექტროდში ნახშირბადში გამოიწვევს უარყოფითი ელექტროდის პოტენციალის ცვლილებას. ამჟამად არ არსებობს უნივერსალური მეთოდი Li/C₆-ის ზუსტი წონასწორობის პოტენციალის გამოსათვლელად x ცვალებადობით. ეს ჩვეულებრივ განისაზღვრება ექსპერიმენტულად. ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ გრაფიტის-დაფუძნებული მასალების დელიტიაციის პოტენციალი, როგორც წესი, მერყეობს 0-0,4 ვ-ს შორის (li/Li⁺-ის წინააღმდეგ), რაც მათ შედარებით შესაფერის ნეგატიურ ელექტროდს ხდის გამოყენებისთვის. ნახაზი 1.2 გვიჩვენებს გრაფიტის უარყოფითი ელექტროდის ტიპიური მუხტის-დამუხტვის დამახასიათებელი მრუდი.
LiCoO2 დადებითი ელექტროდის მასალისთვის, ლითიუმის ინტერკალაციის/დეინტერკალაციის პროცესი არის ერთ-ფაზა რეაქცია. დადებითი ელექტროდის მასალაში ლითიუმის იონების კონცენტრაციის ცვლილებით, დადებითი ელექტროდის პოტენციალიც იცვლება. ელექტროლიტში ლითიუმის იონის კონცენტრაციის გათვალისწინებით არის 1 მოლ/ლ, განტოლებაში (1.1) რეაქციისთვის, ელექტროდის დადებითი პოტენციალი E არის
E=E ხარისხი + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO2)/C(LiCoO2)] (1.9)
სადაც
E ხარისხი - სტანდარტული ელექტროდის პოტენციალი;
C(LiCoO2) LiCoO2-ის - კონცენტრაცია დადებით ელექტროდულ მასალაში;
C(Li+,CoO2) Li+-ისა და CoO2-ის - კონცენტრაცია დადებით ელექტროდულ მასალაში;
ლითიუმის იონების მოპოვებისას დადებითი ელექტროდის პოტენციალი აჩვენებს დაღმავალ ტენდენციას.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის მასალის დატენვის-ჩამოშვების პროცესი არის ლითიუმის რკინის ფოსფატიდან რკინის ფოსფატად გარდაქმნა დელიტიაციის შემდეგ.
რეაქცია ლითიუმის რკინის ფოსფატის ელექტროდზე არის
LiFePO4 ↔ FePO4 + Li⁺ + e- (1.10)
მისი ლითიუმის-იონური ინტერკალაციის/დეინტერკალაციის პროცესი ორფაზიანი რეაქციაა. ამრიგად, ლითიუმის იონის კონცენტრაციის ცვლილებები პოზიტიურ ელექტროდის მასალაში გავლენას არ ახდენს დადებითი ელექტროდის პოტენციურ ცვლილებაზე. მისი წონასწორობის პოტენციალი არის
E=E ხარისხი + 0.02567 · ln[C(FePO4)/C(LiFePO4)] (1.11)
სუფთა მყარი ნივთიერებების კონცენტრაცია არის 1. მისი თერმოდინამიკური პარამეტრების მიხედვით წონასწორობის თეორიული პოტენციალი არის 3,4 ვ.
ლითიუმის რკინის ფოსფატის მასალის ტიპიური მუხტის-გამონადენის დამახასიათებელი მრუდი ნაჩვენებია ნახაზზე 1.3.
ლითიუმის-იონური ბატარეების მუშაობის მახასიათებლები
სხვა ბატარეებთან შედარებით, ლითიუმის-იონურ ბატარეებს აქვთ შემდეგი მახასიათებლები, რომლებიც ფართოდ არის აღიარებული ლითიუმის-იონური ბატარეების დისტრიბუტორებისა და სამრეწველო კლიენტების მიერ:
მაღალი ენერგიის სიმკვრივე.ლითიუმის-იონური ბატარეების ენერგიის სიმკვრივე აღწევს 100 W·h/kg და 200 W·h/L ან მეტს. ბოლო სამჯერადი კათოდური ლითიუმის-იონური ბატარეები მიაღწიეს მასის სპეციფიკურ ენერგიას 200 W·h/kg. მაღალი-ნიკელის სილიციუმის-დაფუძნებული ანოდური მასალების და ლითიუმის-მდიდარი კათოდური მასალების გამოყენებით, მოსალოდნელია, რომ მასის სპეციფიკური ენერგია მიაღწევს 400 W·h/kg და მოცულობითი ენერგიის სიმკვრივე 900 W·h/L, რაც ბევრად აღემატება ტრადიციულ ბატარეებს. ამიტომ, ლითიუმ{13}}იონური ბატარეები ფართოდ გამოიყენება პორტატულ ელექტრონულ პროდუქტებსა და ელექტრო მანქანებში.
მაღალი ღია-ჩართვა ძაბვა.არა-წყლიანი ორგანული გამხსნელების გამოყენების გამო, ერთჯერადი-უჯრედული ძაბვა აღწევს 3,6–3,8 ვ, რაც 2–3–ჯერ აღემატება ნიკელის-მეტალის ჰიდრიდს ან ნიკელის-კადმიუმის ბატარეებს. მაღალი ძაბვის კათოდური მასალების ეფექტურად გამოყენებამ შეიძლება გაზარდოს ერთი უჯრედის საოპერაციო ძაბვა 4.5–5 ვ-მდე, რაც ლითიუმის-იონური ბატარეების მაღალი ენერგიის სიმკვრივის ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი მიზეზია.
შეუძლია მაღალი-დატენვისა და განმუხტვის.მაგალითად, ყველა-მყარი-ლითიუმის-იონური ბატარეა, რომელიც იყენებს პოლიმერულ ელექტროლიტებს, შეუძლია მიაღწიოს გამონადენის სიჩქარეს 10C-ზე ზემოთ კარგი უსაფრთხოებით; ლითიუმის-იონური ბატარეები, რომლებიც იყენებენ ლითიუმის რკინის ფოსფატს, როგორც კათოდს, შეუძლიათ მიაღწიონ 100C გამონადენს.
დაბალი თვით-განმუხტვის მაჩვენებელი.ოთახის ტემპერატურაზე, ლითიუმის-იონური ბატარეების თვით-დამუხტვის სიჩქარე ჩვეულებრივ 10%-ზე ნაკლებია, ვიდრე ნიკელის-მეტალის ჰიდრიდის ბატარეები (15%) და ნახევარი ნიკელის-კადმიუმის ბატარეებისა. ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეების თვით-დამუხტვის სიჩქარე ჩვეულებრივ 3%-ზე ნაკლებია.
ეკოლოგიურად სუფთა,არ შეიცავს ტყვიას, კადმიუმს, ვერცხლისწყალს ან სხვა მავნე ნივთიერებებს და არ აბინძურებს გარემოს.
მეხსიერების ეფექტი არ არის.მეხსიერების ეფექტი ეხება ფენომენს, როდესაც ბატარეის სიმძლავრე მცირდება, როდესაც დამუხტავს სრულ დატენვამდე ან გამოიყენება სრულ დატენვამდე (მეხსიერების ეფექტი არ არის სიმძლავრის დაქვეითება). ლითიუმ-იონურ ბატარეებს არ აქვთ მეხსიერების ეფექტი.
კარგი უსაფრთხოება.ლითიუმ-იონური ბატარეები, როგორც წესი, იყენებენ ნახშირბადის მასალებს, როგორც უარყოფით ელექტროდს, რომელსაც აქვს ელექტროდის პოტენციალი ახლოს მეტალის ლითიუმთან. ლითიუმის იონებს შეუძლიათ შექცევადად შეაღწიონ და დეინტერკალირება მოახდინონ ნახშირბადში, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს ლითიუმის ლითონის დეპონირების ალბათობას და მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს ბატარეის უსაფრთხოებას. ბოლო წლების განმავლობაში, აალებადი-შემკავებელი დანამატები, ალი-შემნელებელი გამყოფები, PTC (დადებითი ტემპერატურის კოეფიციენტის) მოწყობილობები, აფეთქება-გამტარი სარქველები, ბატარეის მართვის სისტემები და სხვა ტექნოლოგიები უზრუნველყოფდნენ ლითიუმ-იონური ბატარეების უკიდურესად მაღალ უსაფრთხოებას.
ხანგრძლივი ციკლის სიცოცხლე.ლითიუმის-იონური ბატარეების ციკლის ხანგრძლივობა ჩვეულებრივ 500 ციკლზე მეტია. ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეების ციკლის ხანგრძლივობა ჩვეულებრივ 2000-3000 ციკლია. მაღალი ციკლის უნარის მქონე ანოდური მასალის სისტემებთან შეხამებისას (როგორიცაა ლითიუმის ტიტანატი), შესაძლებელია 10000-ზე მეტი ციკლის მიღწევა. ეს აქცევს ლითიუმის რკინის ფოსფატის ბატარეებს საუკეთესო არჩევანს ენერგიის შესანახი ბატარეის სისტემებისთვის და ფართომასშტაბიანი ESS პროექტებისთვის.
