Введение в принцип и состав батареи титаната лития

Принцип батареи титаната лития

Литий-титанатная батарея состоит из пластины положительного и отрицательного электрода (активный материал положительного электрода - тройной литий, отрицательный электрод - титанат лития), сепаратора, электролита, язычка и внешнего корпуса из нержавеющей стали (алюминиевый сплав). . Положительная и отрицательная пластины - это области электрохимической реакции. Диафрагма и электролит обеспечивают канал передачи Li +, а язычки служат для направления тока.

Когда аккумулятор заряжен, Li + мигрирует из тройного литиевого материала на поверхность кристалла и отделяется от материала положительного электрода. Под действием силы электрического поля он попадает в электролит, проходит через сепаратор, а затем через электролит мигрирует к отрицательному кристаллу титаната лития. Затем поверхность заделывают в материал с отрицательной структурой шпинели из титаната лития. В то же время поток электронов проходит через алюминиевую фольгу положительного электрода и проходит через электрод, полюс батареи, нагрузку, отрицательный полюс, отрицательный электрод к электроду из алюминиевой фольги отрицательного электрода, а затем протекает через электрический провод к отрицательному электроду из титаната лития, чтобы сбалансировать заряд.

Когда батарея разряжена, Li + деинтеркалируется из материала структуры шпинели из титаната лития, входит в электролит, проходит через сепаратор, а затем мигрирует на поверхность трехкомпонентного кристалла лития через электролит, а затем повторно внедряется в трехкомпонентный литий. материал. В то же время электроны проходят через электрический провод к электроду из алюминиевой фольги отрицательного электрода и проходят через электрод, столб отрицательного электрода, нагрузку, положительный полюс и положительный электрод к электроду из алюминиевой фольги. положительный электрод батареи, а затем протекать через электрический провод к тройному литиевому положительному электроду. Держите заряд в балансе.

Можно видеть, что основной принцип батареи титаната лития заключается в том, что во время процесса зарядки и разрядки соответствующие ионы лития вставляются и удаляются между положительным и отрицательным электродами, чтобы завершить зарядку и разрядку аккумулятора и подачу энергии. к нагрузке. Схема зарядки и разрядки литий-титанатной батареи показана на рисунке.

Когда аккумулятор заряжен, положительный электрод теряет электроны, ионы лития элюируются, и он внедряется в отрицательный электрод; в то время как отрицательный электрод интеркалирован ионами лития, электроны становятся богатыми литием. Процесс разрядки прямо противоположный. Титанат лития (Li4TI5O12) является идеальным материалом для электрода в процессе интеркаляции или деинтеркаляции Li +. Введение Li + и деинтеркаляция мало влияют на структуру материала и поэтому называются материалами с нулевой деформацией. Это гарантирует хорошую производительность цикла.

Титанат лития имеет две разные фазы молекулярной структуры - Li7TI5O12 и Li4TI5O12. Кристаллическая структура Li7TI5O12 и кристаллическая структура Li4Ti5O12 являются структурами шпинели, и постоянная решетки изменяется мало, и изменение объема также мало. Это позволяет избежать структуры материала электрода в цикле зарядки и разрядки, что приводит к разрушению структуры, тем самым улучшая характеристики цикла и срок службы электрода, уменьшая ослабление емкости, вызванное увеличением количества циклов. и придание титанату лития отличных рабочих характеристик цикла. .

Структура батареи титаната лития

Положительный электрод: фосфат лития-железа, манганат лития или тройной материал, оксид лития-никеля-марганца.

Отрицательный электрод: материал титаната лития.

Диафрагма: разделитель литиевых батарей с углем в качестве отрицательного электрода.

Электролит: электролит литиевой батареи, использующий углерод в качестве отрицательного электрода.

Корпус батареи: корпус литиевой батареи с углеродом в качестве отрицательного электрода.

Преимущества литиево-титанатной батареи

Литий-титанатная батарея имеет небольшой объем, легкий вес, высокую плотность энергии, хорошую герметичность, отсутствие утечек, отсутствие эффекта памяти, низкую скорость саморазряда, быструю зарядку и разрядку, длительный срок службы, широкий диапазон рабочих температур, безопасную и стабильную экологическую среду И так далее, поэтому он имеет очень широкую перспективу применения в области энергетики.

Когда титанат лития используется в качестве материала отрицательного электрода, потенциальная платформа достигает 1,55 В, что более чем на 1 В выше, чем у обычного графитового материала отрицательного электрода. Хотя некоторая плотность энергии теряется, это означает, что аккумулятор безопаснее. Лу Лу, технический эксперт, однажды сказал, что батарея должна быть разряжена, когда батарея быстро заряжается. Однако, если он слишком низкий, литиевая батарея легко выделит очень активный металлический литий. Этот ион лития не только проводит, но и реагирует с электролитом. Выделяет тепло, выделяет горючие газы и вызывает пожар. Титанат лития предотвращает осаждение ионов лития, потому что высокое напряжение 1 В позволяет избежать отрицательного напряжения 0, тем самым обеспечивая безопасность батареи.

Поскольку литий-титанатная батарея может безопасно использоваться в условиях высоких и низких температур, она также демонстрирует свои важные преимущества в виде широкой термостойкости (особенно низкой термостойкости). В настоящее время безопасный диапазон рабочих температур литий-титанатной батареи Yinlong составляет от -50 до 65 градусов, в то время как обычная батарея с отрицательным электродом на основе графита начинает ослабевать, когда температура ниже -20 градусов, а зарядная емкость составляет всего -30 градусов. 14% от общей емкости не работает нормально в холодную погоду. Кроме того, поскольку изменение объема батареи из титаната лития составляет всего 1%, даже при перезарядке, ее называют материалом с нулевой деформацией, что обеспечивает чрезвычайно долгий срок ее службы. Yincang Wei, председатель Yinlong, однажды сказал, что срок службы батареи титаната лития Yinlong может достигать 30 лет, что эквивалентно сроку службы автомобиля, в то время как средний срок службы батареи из обычного графитового анодного материала составляет всего 3-4 года. Литий-титанатные батареи менее дороги с точки зрения жизненного цикла.

Последним преимуществом титаната лития является его быстрая зарядка и разрядка, а также высокая скорость заряда. В настоящее время скорость зарядки литий-титанатной батареи Yinlong составляет 10 ° C или даже 20 ° C, в то время как увеличение заряда аккумулятора обычного графитового анодного материала составляет всего 2-4 ° C. Основываясь на этих технических характеристиках литий-титанатных батарей, промышленность считает, что они удовлетворяют потребности в новых энергетических автобусах и крупномасштабном оборудовании для хранения энергии.

Недостатки литиево-титанатной батареи

Тем не менее, отличные характеристики безопасности делают исследования по титанатно-литиевой батарее горячей точкой, но более низкая электронная проводимость (10-13 См / см) и коэффициент диффузии ионов лития самого материала Li4Ti5O12 (10-10 ~ 10-13 см2 / с) значительно ограничивает применение зарядки и разрядки с большим увеличением. Некоторые ученые показали, что нанометровый размер частиц Li4Ti5O12 может расширить эффективную площадь реакции и уменьшить расстояние диффузии, тем самым значительно улучшив быстродействие материала. Однако следует отметить, что процесс наноматериализации материалов часто бывает сложным и требует больших затрат, и в настоящее время трудно осуществить крупномасштабное промышленное производство.

Литий-титанатная батарея будет непрерывно выделять газ в цикле, что приведет к вздутию батареи, особенно при высокой температуре, что повлияет на контакт между положительным и отрицательным полюсами, увеличит сопротивление батареи и повлияет на производительность батареи. Это одно из основных препятствий на пути широкого применения титаната лития в качестве катодного материала в аккумуляторах.

Страница содержит содержимое машинного перевода.