Hvað einkennir litíum-jónarafhlöður?
Stærð og rafkraftur litíum-rafhlöðuefna
Meðan á hleðslu-afhleðsluhvarf litíum-jónarafhlaðna stendur verða aðeins virku efni jákvæðu og neikvæðu rafskautanna undir litíum-jónaflæði/afþjöppunarviðbrögð á meðan raflausnin og önnur efni eru ekki notuð. Þess vegna ákvarðar möguleikinn þar sem jákvæðu og neikvæðu rafskautsefnin flæða litíumjónir með afturkræfum og afintercalata móti opnu-hringrásarspennu rafhlöðunnar og magn litíumjóna sem fléttast inn/afintercalating ákvarðar getu virka efnisins. Margir alþjóðlegir framleiðendur litíum-jónarafhlöðu og litíum-jónarafhlöður treysta á þessa efniseiginleika til að ná stöðugri fjöldaframleiðslu og stöðugri frammistöðu vörunnar.
Fyrir neikvæða rafskautið gerist hvarfið samkvæmt jöfnu (1.2). Á hvert mól af kolefni (12g) má að hámarki setja 1/6 mól af litíumjónum inn. Þess vegna er fræðileg sértæk getu kolefnisneikvæðra rafskautsefnis
1/6(mól)×96485(Faraday fasti,C/mól)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
Í daglegri notkun, með tilliti til litíumtaps vegna aðsogs og myndunar á millifasa filmu (SEI) filmu, er raunveruleg afköst kolefnisefna 300–345 mA·h/g. Leiðandi litíum-rafhlöðupakkabirgðir ná þessu stigi með fínstilltri grafítsamsetningu og nákvæmum húðunarferlum.
Fyrir jákvæða rafskautsefnið er afkastageta þess háð magni litíumjóna sem hægt er að draga út/setja í. Með LiCoO₂ sem dæmi getur allt að 1 mól af litíumjónum á mól af LiCoO₂ tekið þátt í hvarfinu. Þess vegna er fræðileg sérhæfð getu LiCoO₂ (hlutfallslegur mólmassi 97,86)
1(mól)×96485(C/mól)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
Í reynd, til að viðhalda kristalstöðugleika LiCoO₂ efnis, taka venjulega aðeins 30%–60% af litíumjónum þátt í hvarfinu. Þess vegna er raunveruleg tiltekin getu LiCoO₂ efnis 137–164 mA·h/g. Helstu litíum-rafhlöður OEM framleiðendur stjórna dýpt hleðslu og afhleðslu í gegnum háþróaða BMS til að hámarka endingu hringrásarinnar en tryggja öryggi.
Fyrir litíumjárnfosfat getur 1 mól af litíumjónum á mól af litíumjárnfosfati tekið fullan þátt í hvarfinu. Þess vegna er fræðileg og raunveruleg sérhæfð litíumjárnfosfatefnis (hlutfallslegur mólmassi 157,8)
1(mól)×96485(C/mól)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
Í náttúrunni er staðall afoxunargetu Li/Li⁺ lægstur, nær -3,04 V (á móti venjulegu vetnisrafskauti). Fyrir kolefnisneikvæð rafskautsefni er möguleiki á útdrætti og ísetningu litíumjóna nálægt Li/Li⁺ jafnvægisgetu. Samkvæmt rafefnafræðilegri kenningu, við stofuhita, er rafskautsmöguleiki E á kolefnisneikvæðu rafskautinu
E=E gráða + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
hvar
E gráðu - staðall rafskautsmöguleiki;
C(Li⁺) - styrkur litíumjóna í raflausninni;
C(Li,C₆) - styrkur litíumjóna í neikvæða rafskautskolefninu.
Þegar styrkur litíumjóna í lausninni og í neikvæða rafskautskolefninu er nálægt, jafngildir rafskautsmöguleiki neikvæða rafskautsins staðlaða minnkunargetu E gráðu. Almennt er styrkur litíumjóna í raflausninni fastur, þannig að breytingar á styrk litíumjóna í neikvæða rafskautskolefninu munu valda breytingum á neikvæða rafskautsgetu. Sem stendur er engin alhliða aðferð til að reikna út nákvæma jafnvægisgetu Li/C₆ með mismunandi x gildum. Það er almennt ákvarðað með tilraunum. Tilraunir sýna að útbrotsmöguleiki efnis sem byggir á grafít- er yfirleitt breytilegur á milli 0–0,4 V (á móti Li/Li⁺), sem gerir þau tiltölulega hentug neikvætt rafskautsefni til notkunar. Mynd 1.2 sýnir dæmigerða{10}}hleðsluferil neikvæðrar rafskauts úr grafít.
Fyrir LiCoO₂ jákvætt rafskautsefni er litíumflögun/afintercalation ferlið einfasa viðbrögð. Þegar styrkur litíumjóna í jákvæðu rafskautsefninu breytist, breytist möguleiki jákvæða rafskautsins einnig. Miðað við að styrkur litíumjóna í raflausninni er 1 mól/L, fyrir hvarfið í jöfnu (1.1), er jákvæði rafskautsgetan E
E=E gráða + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
hvar
E gráðu - staðall rafskautsmöguleiki;
C(LiCoO₂) - styrkur LiCoO₂ í jákvæða rafskautsefninu;
C(Li⁺,CoO₂) - styrkur Li⁺ og CoO₂ í jákvæða rafskautsefninu;
Þegar litíumjónir eru dregnar út sýnir jákvæði rafskautsmöguleikinn lækkun.
Hleðslu-losunarferlið litíumjárnfosfats efnis er umbreyting úr litíumjárnfosfati í járnfosfat eftir útbrot.
Hvarfið við litíum járnfosfat rafskautið er
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)
Lithium-jóna-/afintercalation ferli þess er tveggja-viðbragð. Þess vegna hafa breytingar á styrk litíumjóna í jákvæðu rafskautsefninu ekki áhrif á hugsanlega breytingu á jákvæða rafskautinu. Jafnvægismöguleiki þess er
E=E gráða + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Styrkur hreins fastra efna er 1. Miðað við varmafræðilega færibreytur þess er fræðilegur jafnvægismöguleiki 3,4 V.
Dæmigerð hleðslu-útskriftareiginleikaferill litíumjárnfosfatefnis er sýndur á mynd 1.3.
Afköstareiginleikar litíum-jónarafhlöður
Í samanburði við aðrar rafhlöður hafa litíum-jónarafhlöður eftirfarandi eiginleika sem eru almennt viðurkenndir af dreifingaraðilum litíum-rafhlöðu og iðnaðarviðskiptavinum:
Hár orkuþéttleiki.Orkuþéttleiki litíum-jónarafhlöður nær 100 W·h/kg og 200 W·h/L eða meira. Nýlegar litíum-rafhlöður bakskauts hafa náð massa sértækri orku upp á 200 W·klst/kg. Með því að nota há-nikkelkísil-undirstaða rafskautaefni og litíum-rík bakskautsefni, er búist við að massasértæk orka nái 400 W·h/kg og rúmmálsorkuþéttleika 900 W·h/L, langt umfram hefðbundnar rafhlöður. Þess vegna eru litíum-jónarafhlöður mikið notaðar í flytjanlegar rafeindavörur og rafbíla.
Há opinn-spenna.Vegna notkunar á ó-vatnskenndum lífrænum leysum nær einfrumuspennan 3,6–3,8 V, sem er 2–3 sinnum meiri en fyrir nikkel-málmhýdríð eða nikkel-kadmíum rafhlöður. Með því að nýta háspennu bakskautsefni á áhrifaríkan hátt getur það aukið rekstrarspennu einnar frumu í 4,5–5 V, sem er ein mikilvægasta ástæðan fyrir mikilli orkuþéttleika litíum-jónarafhlöðu.
Fær hleðslu og afhleðslu á háum-hraða.Til dæmis geta allar-föst-litíum-rafhlöður sem nota fjölliða raflausnir náð afhleðsluhraða yfir 10C með góðu öryggi; litíum-jónarafhlöður sem nota litíumjárnfosfat sem bakskaut geta náð 100C útskrift.
Lágt-sjálfhleðsluhraði.Við stofuhita er mánaðarlegur-sjálfhleðsluhraði litíum-jónarafhlaðna yfirleitt minni en 10%, lægri en nikkel-málmhýdríð rafhlöður (15%) og helmingi minni en nikkel-kadmíum rafhlöður. Sjálfsafhleðsluhraði litíumjárnfosfat rafhlaðna er almennt minna en 3%.
Umhverfisvæn,inniheldur ekkert blý, kadmíum, kvikasilfur eða önnur skaðleg efni og mengar ekki umhverfið.
Engin minnisáhrif.Minnisáhrif vísa til fyrirbærisins þar sem rafhlaðan minnkar þegar hún er endurhlaðin áður en hún er að fullu tæmd eða notuð áður en hún er fullhlaðin (minnisáhrif eru ekki rýrnun á getu). Lithium-rafhlöður hafa engin minnisáhrif.
Gott öryggi.Lithium-rafhlöður nota almennt kolefnisefni sem neikvæða rafskautið, sem hefur rafskautsgetu nálægt því sem litíum úr málmi. Litíumjónir geta afturkræfð fléttast inn og affléttað í kolefni, sem dregur verulega úr líkum á útfellingu litíummálms og bætir verulega öryggi rafhlöðunnar. Undanfarin ár hafa loga-aukefni, eldtefjandi skiljur, PTC (positive temperature coefficient) tæki, sprengi-þéttir lokar, rafhlöðustjórnunarkerfi og önnur tækni tryggt einstaklega mikið öryggi litíum-rafhlöður.
Langur líftími.Líftími litíum-jónarafhlöður er yfirleitt meira en 500 lotur. Endingartími litíum járnfosfat rafhlöður er yfirleitt 2000–3000 lotur. Þegar það er passað við rafskautaefniskerfi með mikla hringrásargetu (eins og litíumtítanat) er hægt að ná meira en 10.000 lotum. Þetta gerir litíum járnfosfat rafhlöður besti kosturinn fyrir orkugeymslurafhlöðukerfi og stór-ESS verkefni.
