ما خصائص بطاريات الليثيوم-أيون؟
السعة والقوة الدافعة الكهربائية لمواد بطارية أيون الليثيوم-.
أثناء تفاعل الشحن-والتفريغ لبطاريات أيون الليثيوم-، تخضع فقط المواد النشطة للأقطاب الكهربائية الموجبة والسالبة لتفاعلات إقحام/إلغاء تداخل أيون الليثيوم-، بينما لا يتم استهلاك الإلكتروليت والمواد الأخرى. ولذلك، فإن الإمكانات التي عندها تقوم مواد القطب الموجب والسالب بإقحام/إلغاء تداخل أيونات الليثيوم بشكل عكسي تحدد جهد الدائرة المفتوحة - للبطارية، وتحدد كمية أيونات الليثيوم المقحمة/غير التقريبية قدرة المادة النشطة. يعتمد العديد من الشركات المصنعة لبطاريات الليثيوم-أيون الليثيوم وموردي بطاريات أيون الليثيوم-العالمية على خصائص المواد هذه لتحقيق إنتاج ضخم مستقر وأداء منتج متسق.
أما بالنسبة للقطب السالب فيحدث التفاعل طبقاً للمعادلة (1.2). لكل مول من الكربون (12 جم)، يمكن إقحام ما يصل إلى 1/6 مول من أيونات الليثيوم كحد أقصى. لذلك، فإن السعة النظرية المحددة لمواد القطب السالب للكربون هي
1/6(مول)×96485(ثابت فاراداي,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
في الاستخدام اليومي، مع الأخذ في الاعتبار فقدان الليثيوم بسبب الامتزاز وتكوين فيلم الطور البيني بالكهرباء الصلب (SEI)، فإن السعة المحددة الفعلية القابلة للتحقيق لمواد الكربون هي 300-345 مللي أمبير ساعة/جرام. يحقق كبار موردي بطاريات أيون الليثيوم- هذا المستوى من خلال صياغة الجرافيت المحسنة وعمليات الطلاء الدقيقة.
بالنسبة لمادة القطب الموجب، تعتمد قدرتها على كمية أيونات الليثيوم التي يمكن استخلاصها/إدراجها. بأخذ LiCoO₂ كمثال، يمكن أن يشارك ما يصل إلى 1 مول من أيونات الليثيوم لكل مول من LiCoO₂ في التفاعل. لذلك، فإن السعة النظرية المحددة لـ LiCoO₂ (الكتلة الجزيئية النسبية 97.86) هي
1(مول)×96485(C/mol)/97.86(جم)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)
من الناحية العملية، للحفاظ على الاستقرار البلوري لمادة LiCoO₂، يشارك بشكل عام 30٪ -60٪ فقط من أيونات الليثيوم في التفاعل. ولذلك، فإن السعة النوعية الفعلية لمادة LiCoO هي 137-164 مللي أمبير ساعة/جم. تتحكم الشركات المصنعة الرئيسية لبطاريات الليثيوم - في عمق الشحن والتفريغ من خلال نظام إدارة المباني المتقدم لزيادة عمر الدورة إلى أقصى حد مع ضمان السلامة.
بالنسبة لفوسفات حديد الليثيوم، يمكن أن يشارك 1 مول من أيونات الليثيوم لكل مول من فوسفات حديد الليثيوم بشكل كامل في التفاعل. ولذلك، فإن القدرة النوعية النظرية والفعلية لمادة فوسفات الحديد الليثيوم (الكتلة الجزيئية النسبية 157.8) هي
1(مول)×96485(C/mol)/157.8(جم)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)
في الطبيعة، جهد الأكسدة والاختزال القياسي لـ Li/Li⁺ هو الأدنى، حيث يصل إلى -3.04 فولت (مقابل قطب الهيدروجين القياسي). بالنسبة لمواد القطب السالب للكربون، تكون إمكانية استخراج أيون الليثيوم وإدخاله قريبة من إمكانات توازن Li/Li⁺. وفقًا للنظرية الكهروكيميائية، في درجة حرارة الغرفة، يكون جهد القطب E للقطب السالب للكربون هو
E=درجة E + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
أين
درجة E - جهد القطب القياسي؛
C(Li⁺) - تركيز أيونات الليثيوم في محلول الإلكتروليت؛
تركيز C(Li,C₆) - لأيونات الليثيوم في الكربون القطبي السالب.
عندما يكون تركيز أيون الليثيوم في المحلول وفي كربون القطب السالب متقاربين، فإن جهد القطب السالب يساوي جهد الاختزال القياسي E درجة. بشكل عام، يكون تركيز أيون الليثيوم في الإلكتروليت ثابتًا، لذا فإن التغييرات في تركيز أيون الليثيوم في كربون القطب السالب سوف تسبب تغيرات في جهد القطب السالب. لا توجد حاليًا طريقة عالمية لحساب إمكانات التوازن الدقيق لـ Li/C₆ بقيم x متفاوتة. يتم تحديده بشكل عام تجريبيا. توضح التجارب أن قدرة التحلل للمواد القائمة على الجرافيت-تتراوح عمومًا بين 0–0.4 فولت (مقابل Li/Li⁺)، مما يجعلها مواد إلكترودات سالبة مناسبة نسبيًا للتطبيقات. يوضح الشكل 1.2 المنحنى النموذجي لتفريغ الشحنة-لقطب الجرافيت السالب.
بالنسبة لمواد القطب الموجب LiCoO₂، فإن عملية إقحام/إلغاء تداخل الليثيوم عبارة عن تفاعل -مرحلة واحدة. مع تغير تركيز أيون الليثيوم في مادة القطب الموجب، تتغير أيضًا إمكانات القطب الموجب. بالنظر إلى أن تركيز أيون الليثيوم في الإلكتروليت هو 1 مول/لتر، بالنسبة للتفاعل في المعادلة (1.1)، يكون جهد القطب الموجب E هو
E=درجة E + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
أين
درجة E - جهد القطب القياسي؛
تركيز C(LiCoO₂) - من LiCoO₂ في مادة القطب الموجب؛
تركيز C(Li⁺,CoO₂) - لـ Li⁺ وCoO₂ في مادة القطب الموجب؛
ومع استخلاص أيونات الليثيوم، تظهر إمكانات القطب الموجب اتجاهًا هبوطيًا.
عملية تفريغ الشحنة-لمواد فوسفات حديد الليثيوم هي التحويل من فوسفات حديد الليثيوم إلى فوسفات الحديد بعد الإزالة.
التفاعل عند قطب فوسفات الحديد الليثيوم هو
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
عملية إقحام/إلغاء تداخل أيون الليثيوم- عبارة عن تفاعل على مرحلتين. لذلك، فإن التغيرات في تركيز أيون الليثيوم في مادة القطب الموجب لا تؤثر على التغير المحتمل للقطب الموجب. إمكانات التوازن هي
E=درجة E + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
تركيز المواد الصلبة النقية هو 1. واستنادًا إلى معلماتها الديناميكية الحرارية، فإن جهد التوازن النظري هو 3.4 فولت.
يظهر في الشكل 1.3 منحنى خاصية تفريغ الشحنة النموذجية- لمادة فوسفات حديد الليثيوم.
خصائص أداء بطاريات الليثيوم-أيون
بالمقارنة مع البطاريات الأخرى، تتمتع بطاريات أيون الليثيوم- بالخصائص التالية التي يعترف بها على نطاق واسع موزعو بطاريات أيون الليثيوم- والعملاء الصناعيون:
كثافة طاقة عالية.تصل كثافة الطاقة في بطاريات أيون الليثيوم- إلى 100 واط·ساعة/كجم و200 واط·ساعة/لتر أو أكثر. حققت بطاريات أيون الليثيوم ذات الكاثود الثلاثي الأخيرة طاقة كتلة محددة تبلغ 200 واط·ساعة/كجم. باستخدام مواد عالية الأنود تعتمد على -السيليكون والنيكل- ومواد الكاثود الغنية بالليثيوم-، من المتوقع أن تصل الطاقة المحددة للكتلة إلى 400 واط·ساعة/كجم وكثافة الطاقة الحجمية 900 واط·ساعة/لتر، وهو ما يتجاوز البطاريات التقليدية بكثير. ولذلك، يتم استخدام بطاريات الليثيوم-أيون على نطاق واسع في المنتجات الإلكترونية المحمولة والمركبات الكهربائية.
جهد الدائرة المفتوحة -عالي.نظرًا لاستخدام المذيبات العضوية غير المائية-، يصل جهد الخلية المفردة- إلى 3.6–3.8 فولت، وهو ما يعادل 2–3 أضعاف جهد بطاريات النيكل-هيدريد المعدن أو بطاريات النيكل-الكادميوم. يمكن أن يؤدي الاستخدام الفعال لمواد الكاثود- ذات الجهد العالي إلى زيادة جهد التشغيل لخلية واحدة إلى 4.5-5 فولت، وهو أحد الأسباب المهمة لكثافة الطاقة العالية لبطاريات أيون الليثيوم-.
قادر على-الشحن والتفريغ بمعدل مرتفع.على سبيل المثال، يمكن لجميع بطاريات أيون الليثيوم-الصلبة-الليثيوم- التي تستخدم إلكتروليتات البوليمر تحقيق معدلات تفريغ أعلى من 10 درجة مئوية بأمان جيد؛ بطاريات الليثيوم - أيون التي تستخدم فوسفات حديد الليثيوم ككاثود يمكن أن تحقق تفريغًا يصل إلى 100 درجة مئوية.
معدل تفريغ ذاتي-انخفاض.في درجة حرارة الغرفة، يكون معدل التفريغ الذاتي الشهري لبطاريات الليثيوم-أيون أقل من 10%، وهو أقل من بطاريات النيكل-هيدريد المعدن (15%) ونصف معدل بطاريات النيكل-الكادميوم. معدل التفريغ الذاتي-لبطاريات ليثيوم فوسفات الحديد أقل عمومًا من 3%.
صديقة للبيئة،لا تحتوي على الرصاص أو الكادميوم أو الزئبق أو غيرها من المواد الضارة، ولا تلوث البيئة.
لا يوجد تأثير الذاكرة.يشير تأثير الذاكرة إلى الظاهرة التي تنخفض فيها سعة البطارية عند إعادة شحنها قبل تفريغها بالكامل أو استخدامها قبل شحنها بالكامل (تأثير الذاكرة ليس تسوس السعة). بطاريات الليثيوم-أيون ليس لها أي تأثير على الذاكرة.
سلامة جيدة.تستخدم بطاريات الليثيوم-أيون بشكل عام مواد الكربون كقطب سالب، والذي يتمتع بقدرة قطب كهربائي قريبة من قدرة الليثيوم المعدني. يمكن لأيونات الليثيوم أن تقوم بإقحام وإلغاء التداخل في الكربون بشكل عكسي، مما يقلل بشكل كبير من احتمال ترسب معدن الليثيوم ويحسن بشكل كبير سلامة البطارية. في السنوات الأخيرة، ساهمت إضافات مثبطات اللهب- وفواصل مثبطات اللهب- وأجهزة معامل درجة الحرارة الإيجابية (PTC) والصمامات المقاومة للانفجار- وأنظمة إدارة البطاريات والتقنيات الأخرى في ضمان سلامة عالية للغاية لبطاريات أيون الليثيوم-.
دورة حياة طويلة.يبلغ عمر دورة بطاريات الليثيوم-أيون بشكل عام أكثر من 500 دورة. عمر دورة بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد بشكل عام هو 2000-3000 دورة. عند مطابقتها مع أنظمة مواد الأنود ذات قدرة الدورة العالية (مثل تيتانات الليثيوم)، يمكن تحقيق أكثر من 10000 دورة. وهذا يجعل بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد الخيار الأفضل لأنظمة بطاريات تخزين الطاقة ومشروعات ESS-الكبيرة الحجم.
