Как работают литий-ионные аккумуляторы?

Переход от металлического лития к ионам лития

Изучение литиевых батарей началось в GN Lewis в 1912 году, но только в начале 1970-х годов литиевые первичные батареи были коммерциализированы впервые. В 1980-х годах ученые начали попытки разработать литиевые вторичные батареи, но металлический литий, используемый в качестве материала отрицательного электрода, имеет большую нестабильность, а ограничение на сырье приводит к медленному прогрессу.

Литий, несомненно, самый легкий из всех металлов, поэтому он имеет самый высокий электрохимический потенциал и максимальную удельную энергию на единицу веса, а вторичная батарея с металлическим литием в качестве анода (отрицательного электрода) [1] имеет очень высокую плотность энергии. Однако в середине 1980-х годов было обнаружено, что металлические литиевые аноды образуют вредные дендриты во время циклической работы батареи, и было легко пробить сепаратор во время роста дендритов, чтобы вызвать короткое замыкание батареи. Затем температура батареи быстро повышается и приближается к температуре плавления лития, и в конечном итоге из-за теплового разгона батарея загорается и даже может вызвать взрыв. Например, в 1991 году из-за ожогов, вызванных горючими газами, выделяемыми при использовании литиевых батарей мобильных телефонов, было отозвано большое количество металлических литиевых вторичных батарей, проданных в Японию.

Металлическому литию присуща нестабильность, и это особенно заметно во время процесса зарядки, поэтому исследователи переключили свое внимание на изучение ионов лития в неметаллических растворах. Хотя литий-ионные батареи имеют более низкую удельную энергию, чем литий-металлический, при условии, что производители аккумуляторов и аккумуляторные блоки применяются в соответствии с правилами техники безопасности при сохранении безопасного уровня напряжения и тока, безопасность литий-ионных аккумуляторов гарантируется. . С момента коммерциализации первых литий-ионных аккумуляторов Sony в 1991 году литий-ионные аккумуляторы стали наиболее многообещающим и быстрорастущим рынком. Однако в то же время исследователи все же не отказались от разработки безопасных металлических литиевых батарей.

Открытие оксида лития-кобальта в качестве материала положительного электрода было приписано Джону Гуденафу (1992). Говорят, что Джон Гуденаф работал с выпускником, нанятым NTT Japan. Вскоре после того, как Джон Гуденаф изобрел литий-ионную батарею, студент вернул это изобретение в Японию. В 1991 году Sony объявила о получении международного патента на катодный материал из оксида лития-кобальта. Спустя много лет последовали судебные процессы, но Sony все еще могла владеть патентами, а у Джона Гуденафа ничего не было.

Температура вспышки литий-ионной аккумуляторной системы

Литий-ионные батареи имеют удельную энергию в два раза больше, чем никель-кадмиевые батареи, и имеют более высокое теоретическое напряжение (3,60 В), чем 1,20 В в никелевой системе. Первое более выгодно для теоретического увеличения удельной энергии. В то же время усовершенствования электродных активных материалов имеют больший потенциал для увеличения плотности энергии. Нагрузочные характеристики литий-ионных аккумуляторов очень хорошие. Идеальный одноэлементный элемент имеет плоскую кривую разряда в диапазоне напряжений от 3,7 до 2,8 В, что свидетельствует о хорошем запасе энергии. Однако одиночная батарея на никелевой основе имеет только узкий плоский диапазон разряда от 1,25 В до 1,0 В.

В 1994 году модель 18650 [2] имела цилиндрическую литий-ионную батарею емкостью всего 1100 мАч, которая стоила более 10 долларов. К 2001 году стоимость была снижена до 2 долларов, а емкость возросла до 1900 мАч. Сегодня цилиндрическая батарея 18650 с высокой плотностью энергии обеспечивает емкость более 3000 мАч и стоит дешевле. Снижение стоимости, увеличение удельной энергии и отсутствие токсичных веществ сделали применение литий-ионных аккумуляторов в портативных устройствах общепризнанным и постепенно перешли от первичного рынка потребительских товаров к тяжелой промышленности, включая энергетические системы электромобилей.

В 2009 году литий-ионные батареи обеспечили примерно 38% выручки от аккумуляторных батарей. Литий-ионные аккумуляторы просты в обслуживании и не имеют себе равных среди многих других химических аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы не обладают эффектом памяти, не требуют полной зарядки и разрядки для поддержания производительности, а скорость саморазряда составляет менее половины от уровня никелевых аккумуляторов, что делает литиевые аккумуляторы широко используемыми в датчиках уровня топлива. Кроме того, литий-ионный аккумулятор имеет номинальное напряжение 3,60 В и может напрямую использоваться в качестве аккумулятора для мобильных телефонов и цифровых фотоаппаратов благодаря конструкции аккумуляторного блока, что упрощает процесс и снижает стоимость. Но обратная сторона - нужно защищать схему от протечек и избегать высоких цен.

Классификация литий-ионных аккумуляторов с точки зрения материалов

Подобно свинцовым и никелевым батареям, ионы лития используют положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод) и электролит в качестве проводника. Положительный электрод представляет собой оксид металла, а отрицательный электрод - из пористого графита. Во время разряда ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному через электролит и сепаратор; во время зарядки ионы лития текут от положительного электрода к отрицательному в противоположных направлениях, как показано на фиг.

Когда аккумулятор заряжается и разряжается, Li + перемещается между положительным и отрицательным электродами. Во время разряда анод окисляется, теряет электроны, а катод восстанавливается, чтобы получить электроны; при зарядке заряд движется в обратном направлении.

В зависимости от материала электродов существует множество типов литий-ионных батарей. Но если вы выберете другие материалы, характеристики батареи будут сильно отличаться.

Все материалы положительного электрода содержат Li +. Обычный оксид лития-кобальта (оксид лития-кобальта), оксид лития-марганца (также известный как шпинель или манганат лития), фосфат лития-железа, тройной материал никель-кобальт-марганец (NMC) [3] и оксид лития-никель-кобальт-алюминий (NCA). Все эти материалы имеют теоретический верхний предел энергии (ионы лития имеют теоретическую емкость около 2000 кВтч, что более чем в 10 раз превышает удельную энергию коммерческих литий-ионных батарей).

В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве материала отрицательного электрода используется кокс (угольный продукт). С 1997 года большинство производителей литий-ионных аккумуляторов, включая Sony, преобразовали анодные материалы в графит, в результате чего кривая разряда стала плоской. Графит - это форма углерода, которая используется в карандашах. Он может хорошо накапливать ионы лития во время зарядки, имеет длительный цикл и хорошую стабильность. Из углеродных материалов наиболее распространен графит, за ним следуют твердый углерод и мягкий углерод. Другие виды углерода, такие как углеродные нанотрубки, еще не нашли своего коммерческого применения. На рис. 2 сравниваются кривые разряда по напряжению для современной литий-ионной батареи с графитом в качестве отрицательного электрода и литий-ионной батареи с отрицательным электродом из раннего кокса.

В нормальном рабочем диапазоне разряда батарея должна иметь пологую кривую напряжения, что лучше, чем раньше, чем раньше.

Анодные материалы также развиваются, и исследователи постоянно экспериментируют с новыми материалами, включая сплавы на основе кремния. В этом сплаве шесть атомов углерода связаны с одним ионом лития, а один атом кремния может связывать четыре иона лития. Это означает, что кремниевый отрицательный электрод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графитовый материал. В настоящее время удельная емкость кремниевых материалов увеличилась на 20-30% за счет снижения потенциальной нагрузки и срока службы. Однако проблема заключается в том, что во время процесса зарядки ионы лития легко расширяются в объеме после внедрения в материал на основе кремния (расширяются до более чем четырехкратного исходного объема).

Наноструктурированная соль титаната лития имеет хороший срок службы и нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и хорошие характеристики безопасности в качестве материала отрицательного электрода, но ее удельная емкость низкая, а стоимость высока.

Компромиссы между различными производителями в отношении производительности батарей

Различные исследования положительных и отрицательных материалов позволяют производителям учитывать характеристики батареи, но усиление одного показателя часто происходит за счет снижения производительности другого. В так называемых «аккумуляторных батареях» производители аккумуляторов более склонны увеличивать удельную емкость для длительного использования, но это может привести к снижению удельной мощности и срока службы. В «силовой батарее» можно пожертвовать определенной емкостью для достижения высокой мощности. Вышеуказанные свойства «гибридной батареи» относительно сбалансированы. «Аккумулятор долговечности» разработан для длительного использования. Эти специальные батареи обычно громоздки и дороги.

Производители могут легко получить литий-ионные батареи высокой удельной емкости и недорогие, если они заменят никель никелем, но это снизит стабильность батареи. Хотя некоторые недавно созданные компании могут уделять больше внимания удельной емкости аккумулятора, чтобы быстрее получить признание рынка, нельзя игнорировать безопасность и стабильность. Для уважаемых компаний безопасность и долгосрочная эффективность будут крайне важны.

Улучшение существующих материалов - это долгий путь

Литий-ионные аккумуляторы в основном используются в портативных электронных продуктах, и долговременная стабильность их электроэнергетической системы все еще неизвестна. Срок службы, долгосрочная производительность и эксплуатационные расходы станут известны только после того, как электромобиль был несколько раз обновлен и принят заказчиком. На рисунке 3 ниже показаны преимущества и ограничения литий-ионных батарей.

Взятые вместе, эти две проблемы особенно остро стоят сегодня: улучшение характеристик батарей и поиск лучших соединений. Преодоление любого узкого места сделает батареи более решающими, чем почти бесплатное ископаемое топливо. Хотя в средствах массовой информации появлялись обширные сообщения о крупных достижениях в области батарей, еще не время писать статью, восхваляющую победу. Даже если определенная разработка будет подтверждена и одобрена, потребуется несколько лет, чтобы выйти на рынок и по-настоящему «влететь» в дома простых людей.

Аннотация:

[1] Когда энергия потребляется, например, в диоде, вакуумной лампе или перезаряжаемой батарее, материал анода представляет собой материал положительного электрода; и наоборот, при разрядке, такой как процесс разрядки батареи, анодный материал представляет собой материал отрицательного электрода.

[2] Цилиндрическая литий-ионная батарея была разработана в середине 1990-х годов. Было измерено, что он имеет диаметр 18 мм и длину 65 мм, что в основном используется в портативных компьютерах.

[3] Некоторые системы никель-марганцево-марганцево-кобальтовых батарей были записаны как NCM, CMN, CNM, MNC и MCN. Эти системы в основном одинаковы.

Страница содержит содержимое машинного перевода.