Вы знаете об электрохимии литий-ионных аккумуляторов?

Хранение энергии считается одной из ключевых технологий для успешной реализации возобновляемых источников энергии, а также для электрификации различных секторов и отраслей. В нашем сегодняшнем посте мы подробно расскажем об электрохимии литий-ионных батарей, чтобы вы могли узнать больше об этих батареях и их химическом составе.

Батареи являются важным инструментом хранения энергии для стационарного и мобильного использования. В основном они используются для небольших или портативных устройств. Они также используются, когда электрические соединения нецелесообразны и невозможны.

Введение в электрохимию литий-ионных аккумуляторов

Области применения батарей варьируются от небольших устройств, таких как MP3-плееры, до смартфонов, а затем и до высокопроизводительных систем, таких как автомобили или системы хранения энергии, используемые на электростанциях, например, турбины.

Конфигурация или настройка

Типичная конструкция батареи состоит из двух электродов с противоположным зарядом, разделенных электролитом. И они подразделяются на первичные и вторичные клетки, в зависимости от химической системы, окружающей их работу.

Первичные клетки

Батареи с первичными элементами - это те, которые нельзя заряжать или перезаряжать. Они полностью предварительно заряжены и могут быть использованы сразу после покупки. Они обеспечивают высокую удельную энергию, а также длительное время хранения.

Однако эти первичные элементы в настоящее время занимают лишь определенную рыночную нишу. Обычно они используются, когда невозможно использовать аккумуляторные батареи или в ситуациях, когда невозможна зарядка. Например, это касается наручных часов, игрушек или даже кардиостимуляторов. Есть и другие приложения, например, в вооруженных силах, где первичные элементы используются в ракетах.

Ячейки первичных батарей в основном представляют собой щелочно-марганцевые, литиевые или угольно-цинковые батареи.

Вторичные клетки

В отличие от первичных элементов, аккумуляторные батареи вторичных элементов можно заряжать и перезаряжать более ста раз. Рыночная стоимость этих типов аккумуляторов неуклонно растет.

Самые старые аккумуляторные батареи - это свинцово-кислотные батареи. Они до сих пор используются в качестве стартерных аккумуляторов в автомобилях или в качестве резервных систем. Есть и другие примеры вторичных аккумуляторных батарей, такие как никель-металлогидридные (NiMH), никель-кадмиевые (NiCd) и, конечно же, литий-ионные батареи. Последний в настоящее время является предметом нашего обсуждения, потому что это аккумулятор, наиболее предпочитаемый крупными игроками на рынке автомобилей и гаджетов.

Зарядка и разрядка

В перезаряжаемых литий-ионных батареях носителями заряда являются ионы лития. Эти ионы лития можно найти в батарее в трех местах: в кристаллической решетке LiCoO2 на катоде, соли лития в электролитах и в аноде, где литий нестабилен, но действует как «гость» между графитовый и углеродный слои. Когда эти батареи полностью заряжены, их аноды максимально заполнены литием, причем один атом лития закреплен на шести атомах углерода.

Во время использования или разрядки батареи положительно заряженные ионы лития внутри батареи перемещаются от положительно заряженного электрода или анода через промежуточный электролит к катоду или отрицательно заряженному электроду. Оксид лития-кобальта (обозначенный как LiCoO2) является преобладающим катодным материалом в литий-ионных батареях любых гаджетов, но он напоминает фосфат лития-железа (химически обозначаемый как LiFePO4), он имеет более низкую плотность энергии, но более химически устойчив. Чтобы замкнуть эту цепь, отрицательно заряженные электроны выходят за пределы батареи через анод к катоду, обеспечивая тем самым питание подключенного устройства. Это меняется на противоположное во время зарядки, вызванное внешними силами от внешнего источника энергии, ионы лития проходят через обратный путь в батарее и возвращаются к аноду с катода. Следовательно, электрохимические реакции в перезаряжаемых батареях обратимы.

Электрохимическая характеристика литий-ионного аккумулятора

Литий-ионные батареи показали себя многообещающими. Их было предложено использовать в электромобилях (EV) или электромобилях (HEV). В настоящее время графит широко используется в качестве анодного материала для коммерческих литий-ионных аккумуляторов, особенно используемых в сотовых телефонах, фотоаппаратах и ноутбуках. Но тогда производительность ячеек не была настолько удовлетворительной, как ожидалось в ее приложениях для энергосистем, требующих частых высокоскоростных разрядов или скорости заряда, например, в электрических или гибридных транспортных средствах.

Из-за низкого напряжения перемежения лития, составляющего около 0,1 В (относительно Li / Li +), металлы лития легко осаждаются на поверхности графитовых анодов и образуют дендритный литий, особенно во время быстрой зарядки, что может вызвать проблемы с безопасностью. Шпинели Li4Ti5O12 уделяется много внимания и рассматривается как альтернативный анод графитам в литий-ионных батареях из-за ее превосходной структуры при нулевом напряжении, обратимости и высокой подвижности литий-ионных элементов в решетке Li4Ti5O12. В частности, материал имеет высокое напряжение введения лития, которое составляет 1,55 В (относительно Li / Li +), и это может повредить образованию дендритного лития. Но тогда низкая электронная проводимость Li4Ti5O12 является основным препятствием, ограничивающим производительность материала.

Чтобы улучшить электрохимические характеристики Li4Ti5O12 и электронную проводимость, необходимо проделать большую работу, чтобы решить эту проблему. Одна из распространенных стратегий - уменьшить размер частиц и покрыть проводящим материалом поверхность Li4Ti5O12 или легировать ионы других металлов. Уменьшение размера частиц может также уменьшить расстояние диффузии ионов лития и улучшить как емкость электрода сохранения Li, так и его кинетику; следовательно, можно улучшить быстродействие, а также электрохимические характеристики электродного материала. Некоторые ионы металлов, такие как V5 +, Mg2 +, Ca3 +, Ta5 + и Ni3 +, использовались в легировании для замены небольшого количества Li + или Ti4 + другими ионами для улучшения электронной проводимости, а также пропускной способности. Покрытие из проводящих материалов на поверхности литий-ионных батарей может улучшить поверхностную проводимость, а также снизить контактное сопротивление. Сообщается, что проводящие материалы, такие как углеродная сажа, графен, углеродные нанотрубки, Sn, Ag и Cu, используются для изменения электропроводности Li4Ti5O12.

Электрохимическая структура литий-ионного аккумулятора

Исследования электрохимической структуры литий-ионных батарей показали, что лучшее понимание научных вопросов и проблем может быть полезным при разработке и изготовлении катода более высокого напряжения, который взаимодействует с низким омическим падением. Одним из основных показателей оценки производительности литий-ионных аккумуляторов (LIB) является OCV, и его улучшение показывает многообещающие результаты в увеличении плотности энергии. Кроме того, значительное падение потенциала на интерфейсах свидетельствует о высоком сопротивлении и является одним из основных факторов, ограничивающих удельную мощность.