Литиум{0}}ион батерейны шинж чанар юу вэ?
Литиум{0}}ионы батерейны материалын хүчин чадал ба цахилгаан хөдөлгөх хүч
Лити-ионы батерейг цэнэглэх урвалын- үед зөвхөн эерэг ба сөрөг электродын идэвхтэй материалууд л литийн-ионы интеркализаци/деинтеркалацийн урвалд ордог бол электролит болон бусад материалууд зарцуулагддаггүй. Иймд эерэг ба сөрөг электродын материалууд литийн ионуудыг урвуу интеркалацилах/зайлах потенциал нь батарейны нээлттэй хэлхээний-хүчдэлийг, харин литийн ионуудын харилцан үйлчлэлцэх/ялгах хэмжээ нь идэвхтэй материалын багтаамжийг тодорхойлдог. Дэлхийн олон лити{6}}ионы батерей үйлдвэрлэгчид болон лити{7}}ион батерей нийлүүлэгчид тогтвортой масс үйлдвэрлэл, бүтээгдэхүүний тогтвортой гүйцэтгэлд хүрэхийн тулд эдгээр материалын шинж чанарт тулгуурладаг.
Сөрөг электродын хувьд урвал (1.2) томъёоны дагуу явагдана. Нэг моль нүүрстөрөгч (12г) тутамд дээд тал нь 1/6 моль литийн ионуудыг хооронд нь холбож болно. Тиймээс нүүрстөрөгчийн сөрөг электродын материалын онолын хувийн хүчин чадал нь
1/6(моль)×96485(Фарадей тогтмол,С/моль)/12(г)=3400C/г=372(мА·ц/г) (1.5)
Өдөр тутмын хэрэглээнд шингээлт болон хатуу электролитийн интерфазын хальс (SEI) үүссэнээс үүдэлтэй литийн алдагдлыг харгалзан үзэхэд нүүрстөрөгчийн материалын бодит хүрч болох хувийн хүчин чадал нь 300-345 мА·ц/г байна. Литиум{3}}ионы батерейны тэргүүлэгч нийлүүлэгчид графитийн оновчтой найрлага, нарийн бүрэх процессоор дамжуулан ийм түвшинд хүрдэг.
Эерэг электродын материалын хувьд түүний хүчин чадал нь гаргаж авах/оруулах боломжтой литийн ионуудын хэмжээнээс хамаарна. LiCoO₂-г жишээ болгон авч үзвэл, нэг моль LiCoO₂ тутамд 1 моль хүртэл литийн ион урвалд оролцож болно. Тиймээс LiCoO₂-ийн онолын хувийн багтаамж (харьцангуй молекул масс 97.86) байна.
1(моль)×96485(С/моль)/97.86(г)=985.95C/г=273.9(мА·ц/г) (1.6)
Практикт LiCoO₂ материалын талст тогтвортой байдлыг хадгалахын тулд литийн ионуудын ердөө 30%-60% нь л урвалд оролцдог. Тиймээс LiCoO₂ материалын бодит хүчин чадал нь 137–164 мА·ц/г байна. Литиум ион батерейны гол OEM үйлдвэрлэгчид аюулгүй байдлыг хангахын зэрэгцээ мөчлөгийн ашиглалтын хугацааг нэмэгдүүлэхийн тулд дэвшилтэт BMS-ээр дамжуулан цэнэглэх болон цэнэгийн гүнийг хянадаг.
Лити төмрийн фосфатын хувьд литийн төмрийн фосфатын моль тутамд 1 моль литийн ион урвалд бүрэн оролцох боломжтой. Иймд литийн төмрийн фосфатын материалын онолын болон бодит хувийн багтаамж (харьцангуй молекул масс 157.8) байна.
1(моль)×96485(С/моль)/157.8(г)=611.44C/г=169.8(мА·ц/г) (1.7)
Байгальд Li/Li⁺-ийн стандарт исэлдэлтийн потенциал хамгийн бага буюу -3.04 Вт хүрдэг (стандарт устөрөгчийн электродтой харьцуулахад). Нүүрстөрөгчийн сөрөг электродын материалын хувьд литийн ион олборлох, оруулах боломж нь Li/Li⁺ тэнцвэрийн потенциалтай ойролцоо байна. Электрохимийн онолын дагуу өрөөний температурт нүүрстөрөгчийн сөрөг электродын электродын потенциал E байна
E=E зэрэг + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
хаана
E зэрэг - стандарт электродын потенциал;
C(Li⁺) - электролитийн уусмал дахь литийн ионы концентраци;
С(Li,C₆) - сөрөг электродын нүүрстөрөгч дэх литийн ионы концентраци.
Уусмал дахь болон сөрөг электродын нүүрстөрөгч дэх литийн ионы концентраци ойрхон байвал сөрөг электродын электродын потенциал нь стандарт бууралтын потенциал E зэрэгтэй тэнцүү байна. Ерөнхийдөө электролит дэх литийн ионы концентраци тогтмол байдаг тул сөрөг электродын нүүрстөрөгч дэх литийн ионы концентраци өөрчлөгдөхөд сөрөг электродын потенциал өөрчлөгдөх болно. Одоогийн байдлаар Li/C₆-ийн тэнцвэрийн потенциалыг янз бүрийн x утгуудаар тооцоолох бүх нийтийн арга байхгүй. Энэ нь ерөнхийдөө туршилтаар тодорхойлогддог. Туршилтаас харахад графит{4}}үндэслэсэн материалын задрах чадвар нь ерөнхийдөө 0-0.4 В (Li/Li⁺-тай харьцуулбал) хооронд хэлбэлздэг нь тэдгээрийг хэрэглэхэд харьцангуй тохиромжтой сөрөг электродын материал болгодог. Зураг 1.2-д бал чулуун сөрөг электродын цэнэгийн{10} ердийн цэнэгийн шинж чанарын муруйг харуулав.
LiCoO₂ эерэг электродын материалын хувьд литийн интеркаляци/деинтеркализаци нь нэг фазын урвал юм. Эерэг электродын материал дахь литийн ионы концентраци өөрчлөгдөхөд эерэг электродын потенциал мөн өөрчлөгддөг. Электролит дэх литийн ионы концентрацийг 1 моль/л гэж үзвэл (1.1) тэгшитгэлийн урвалын хувьд электродын эерэг потенциал E байна.
E=E зэрэг + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
хаана
E зэрэг - стандарт электродын потенциал;
C(LiCoO₂) - эерэг электродын материал дахь LiCoO₂-ийн концентраци;
C(Li⁺,CoO₂) - эерэг электродын материал дахь Li⁺ ба CoO₂-ийн концентраци;
Лити ионуудыг гаргаж авах үед электродын эерэг потенциал буурах хандлагатай байна.
Лити төмрийн фосфатын материалын цэнэг-ялгах үйл явц нь төмрийн литийн фосфатаас төмрийн фосфат болж хувирах явдал юм.
Лити төмрийн фосфатын электрод дахь урвал нь
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Түүний литийн-ионы харилцан хамаарал/деинтеркалацийн процесс нь хоёр үе шаттай урвал юм. Тиймээс эерэг электродын материал дахь литийн ионы концентрацийн өөрчлөлт нь эерэг электродын боломжит өөрчлөлтөд нөлөөлөхгүй. Түүний тэнцвэрийн потенциал нь
E=E зэрэг + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Цэвэр хатуу бодисын концентраци нь 1. Термодинамикийн үзүүлэлтүүд дээр үндэслэн онолын тэнцвэрийн потенциал нь 3.4 В байна.
Лити төмрийн фосфатын материалын цэнэгийн-цэнэгийн шинж чанарын муруйг Зураг 1.3-т үзүүлэв.
Литиум{0}}ион батерейны гүйцэтгэлийн шинж чанарууд
Бусад батерейтай харьцуулахад лити{0}}ион батерейнууд нь лити-ионы батерейны дистрибьютер болон үйлдвэрлэлийн үйлчлүүлэгчдэд өргөнөөр хүлээн зөвшөөрөгдсөн дараах шинж чанаруудтай:
Эрчим хүчний өндөр нягтрал.Лити{0}}ионы батерейны эрчим хүчний нягтрал 100 Вт·ц/кг ба 200 Вт·ц/л ба түүнээс дээш байна. Сүүлийн үеийн гурвалсан катодын лити{4}}ион батерейнууд 200 Вт·ц/кг массын хувийн энергийг олж авсан. Өндөр{7}}никель цахиурт-анодын материал болон лити{9}}баялаг катодын материалыг ашигласнаар массын хувийн энерги 400 Вт·ц/кг, эзэлхүүний эрчим хүчний нягтрал нь 900 Вт·ц/л хүрч, уламжлалт батерейнаас хол давах төлөвтэй байна. Тиймээс лити{13}}ион батерейг зөөврийн электрон бүтээгдэхүүн болон цахилгаан машинд өргөн ашигладаг.
Нээлттэй{0}}хэлхээний өндөр хүчдэл.-Усан бус органик уусгагчийг ашигласнаар нэг эсийн хүчдэл 3.6-3.8 Вт хүрдэг нь никель{6}}металл гидрид эсвэл никель-кадми батерейгаас 2-3 дахин их байна. Өндөр хүчдэлийн катодын материалыг үр дүнтэй ашиглах нь нэг эсийн ажиллах хүчдэлийг 4.5–5 В хүртэл нэмэгдүүлэх боломжтой бөгөөд энэ нь лити-ион батерейны эрчим хүчний өндөр нягтралын нэг чухал шалтгаан юм.
Өндөр хурдтай цэнэглэх, цэнэггүй болгох-чадвартай.Жишээлбэл, полимер электролит ашигладаг бүх-хатуу-толгой литийн-ионы батерейнууд нь сайн аюулгүй байдлын үед 10С-ээс дээш цэнэгийн хурдыг гаргаж чаддаг; литийн төмрийн фосфатыг катод болгон ашигладаг литийн-ион батерейнууд нь 100С-ийн цэнэгийг гаргаж чадна.
Өөрөө цэнэглэх{0}бага хувь.Өрөөний температурт литийн ион батерейны сарын өөрөө- цэнэг алдалтын хэмжээ ерөнхийдөө 10%-иас бага, никель-металл гидридын батерейгаас (15%), никель-кадми батерейн- хагасаас бага байна. Лити төмрийн фосфатын батерейны- өөрөө цэнэглэх хэмжээ ерөнхийдөө 3%-иас бага байна.
Байгаль орчинд ээлтэй,хар тугалга, кадми, мөнгөн ус болон бусад хортой бодис агуулаагүй, байгаль орчныг бохирдуулахгүй.
Санах ойн нөлөө байхгүй.Санах ойн эффект гэдэг нь бүрэн цэнэггүй болохоос өмнө цэнэглэх үед эсвэл бүрэн цэнэглэгдэхээс өмнө ашиглах үед батерейны хүчин чадал буурах үзэгдлийг хэлдэг (санах ойн нөлөө нь багтаамж муудах биш). Литиум{1}}ион батерейнууд санах ойд ямар ч нөлөө үзүүлэхгүй.
Аюулгүй байдал сайн.Литиум{0}}ионы батерейнууд ихэвчлэн нүүрстөрөгчийн материалыг сөрөг электрод болгон ашигладаг бөгөөд энэ нь метал лититэй ойролцоо электродын потенциалтай байдаг. Лити ионууд нь нүүрстөрөгчөөр урвуу харилцан уялдаатай болж, улмаар литийн металл хуримтлагдах магадлалыг эрс бууруулж, батерейны аюулгүй байдлыг эрс сайжруулдаг. Сүүлийн жилүүдэд галд тэсвэртэй нэмэлтүүд, галд тэсвэртэй-салгагч, PTC (эерэг температурын коэффициент) төхөөрөмж, тэсрэлтээс хамгаалах-цорго, батерейны удирдлагын систем болон бусад технологиуд нь лити ион батерейны өндөр аюулгүй байдлыг хангасан.
Урт мөчлөгийн амьдрал.Лити{0}}ион батерейны ашиглалтын хугацаа ерөнхийдөө 500 гаруй цикл байдаг. Лити төмрийн фосфатын батерейны ашиглалтын хугацаа ерөнхийдөө 2000-3000 цикл байдаг. Циклийн өндөр чадавхитай (литийн титанат гэх мэт) анодын материалын системтэй таарч байвал 10,000 гаруй цикл хийх боломжтой. Энэ нь литийн төмрийн фосфатын батерейг эрчим хүч хадгалах батерейны систем болон томоохон -ESS төслүүдэд хамгийн сайн сонголт болгодог.
