Đặc điểm của pin lithium{0}}ion là gì?

Công suất và suất điện động của vật liệu pin lithium{0}}ion

Trong quá trình-phản ứng phóng điện của pin lithium{1}}ion, chỉ các vật liệu hoạt động của điện cực dương và âm mới trải qua các phản ứng xen kẽ/khử xen kẽ ion lithium-, trong khi chất điện phân và các vật liệu khác không bị tiêu hao. Do đó, điện thế mà tại đó vật liệu điện cực dương và âm xen kẽ/khử xen kẽ các ion lithium thuận nghịch sẽ xác định điện áp mạch-mở của pin và lượng ion lithium xen kẽ/khử xen kẽ xác định công suất của vật liệu hoạt động. Nhiều nhà sản xuất pin lithium{6}}ion và nhà cung cấp pin lithium{7}}ion toàn cầu dựa vào các đặc tính vật liệu này để đạt được sản xuất hàng loạt ổn định và hiệu suất sản phẩm nhất quán.

Đối với điện cực âm, phản ứng xảy ra theo phương trình (1.2). Trên mỗi mol carbon (12g), có thể xen kẽ tối đa 1/6 mol ion lithium. Do đó, công suất riêng theo lý thuyết của vật liệu điện cực âm cacbon là
1/6(mol)×96485(Hằng số Faraday,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)

Trong sử dụng hàng ngày, xét đến sự thất thoát lithium do sự hấp phụ và sự hình thành màng điện phân rắn (SEI), công suất riêng thực tế có thể đạt được của vật liệu cacbon là 300–345 mA·h/g. Các nhà cung cấp pin lithium{3}}ion hàng đầu đạt được cấp độ này thông qua công thức than chì được tối ưu hóa và quy trình phủ chính xác.

Đối với vật liệu điện cực dương, công suất của nó phụ thuộc vào lượng ion lithium có thể được chiết/lắp vào. Lấy LiCoO₂ làm ví dụ, có tới 1 mol ion lithium trên mỗi mol LiCoO₂ có thể tham gia phản ứng. Do đó, công suất riêng theo lý thuyết của LiCoO₂ (khối lượng phân tử tương đối 97,86) là
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)

Trong thực tế, để duy trì độ ổn định tinh thể của vật liệu LiCoO₂, thường chỉ có 30%–60% ion lithium tham gia phản ứng. Do đó, công suất riêng thực tế của vật liệu LiCoO₂ là 137–164 mA·h/g. Các nhà sản xuất pin lithium{6}}ion chính OEM kiểm soát mức độ sạc và xả thông qua BMS tiên tiến để tối đa hóa tuổi thọ của chu trình đồng thời đảm bảo an toàn.

Đối với liti sắt photphat, 1 mol ion liti trên mỗi mol liti sắt photphat có thể tham gia đầy đủ vào phản ứng. Do đó, công suất riêng lý thuyết và thực tế của vật liệu lithium sắt photphat (khối lượng phân tử tương đối 157,8) là
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)

Trong tự nhiên, thế oxi hóa khử tiêu chuẩn của Li/Li⁺ là thấp nhất, đạt -3,04 V (so với điện cực hydro tiêu chuẩn). Đối với vật liệu điện cực âm carbon, thế năng tách và chèn lithium-ion gần với thế năng cân bằng Li/Li⁺. Theo lý thuyết điện hóa, ở nhiệt độ phòng, thế điện cực E của điện cực âm cacbon là

E=E độ + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)

Ở đâu
Thế điện cực chuẩn - độ E;
C(Li⁺) - nồng độ của các ion lithium trong dung dịch điện phân;
C(Li,C₆) - nồng độ của các ion lithium trong cacbon điện cực âm.

Khi nồng độ ion lithium trong dung dịch và trong cacbon điện cực âm gần nhau thì thế điện cực của điện cực âm bằng với thế khử tiêu chuẩn E độ. Nói chung, nồng độ ion lithium trong chất điện phân là cố định, do đó, sự thay đổi nồng độ ion lithium trong carbon điện cực âm sẽ gây ra những thay đổi về thế điện cực âm. Hiện tại không có phương pháp phổ quát nào để tính toán thế năng cân bằng chính xác của Li/C₆ với các giá trị x khác nhau. Nó thường được xác định bằng thực nghiệm. Các thí nghiệm cho thấy khả năng phân tách của vật liệu dựa trên than chì{4}}thường thay đổi trong khoảng 0–0,4 V (so với Li/Li⁺), khiến chúng trở thành vật liệu điện cực âm tương đối phù hợp cho các ứng dụng. Hình 1.2 cho thấy đường cong đặc tính phóng điện điển hình của điện cực âm than chì.

Đối với vật liệu điện cực dương LiCoO₂, quá trình xen kẽ/khử xen kẽ lithium là một-phản ứng một pha. Khi nồng độ ion lithium trong vật liệu điện cực dương thay đổi, điện thế của điện cực dương cũng thay đổi. Xét nồng độ ion lithium trong chất điện phân là 1 mol/L, đối với phản ứng trong phương trình (1.1), thế điện cực dương E là

E=E độ + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)

Ở đâu
Thế điện cực chuẩn - độ E;
Nồng độ C(LiCoO₂) - của LiCoO₂ trong vật liệu điện cực dương;
Nồng độ C(Li⁺,CoO₂) - của Li⁺ và CoO₂ trong vật liệu điện cực dương;
Khi các ion lithium được tách ra, thế điện cực dương có xu hướng giảm.

Quá trình phóng điện-của vật liệu lithium sắt photphat là quá trình chuyển đổi từ lithium sắt photphat thành sắt photphat sau khi phân tách.

Phản ứng ở điện cực lithium sắt photphat là
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)

Quá trình xen kẽ/khử xen kẽ ion lithium- của nó là một phản ứng hai-pha. Do đó, những thay đổi về nồng độ ion lithium trong vật liệu điện cực dương không ảnh hưởng đến sự thay đổi tiềm năng của điện cực dương. Thế năng cân bằng của nó là

E=E độ + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)

Nồng độ của chất rắn nguyên chất là 1. Dựa trên các thông số nhiệt động của nó, thế cân bằng lý thuyết là 3,4 V.

Đường cong đặc tính phóng điện-điển hình của vật liệu lithium sắt photphat được thể hiện trong Hình 1.3.

Đặc tính hiệu suất của pin lithium{0}}ion

So với các loại pin khác, pin lithium{0}}ion có những đặc điểm sau được các nhà phân phối pin lithium-ion và khách hàng công nghiệp công nhận rộng rãi:

Mật độ năng lượng cao.Mật độ năng lượng của pin lithium{0}}ion đạt 100 W·h/kg và 200 W·h/L trở lên. Pin lithium{4}}ion cực âm ba cực gần đây đã đạt được năng lượng riêng theo khối lượng là 200 W·h/kg. Sử dụng vật liệu cực dương dựa trên-niken silic-cao và vật liệu cực âm giàu lithium-, khối lượng riêng dự kiến ​​sẽ đạt 400 W·h/kg và mật độ năng lượng thể tích là 900 W·h/L, vượt xa pin truyền thống. Do đó, pin lithium{13}}ion được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử cầm tay và xe điện.

Điện áp mạch- hở cao.Do sử dụng dung môi hữu cơ không chứa nước,-điện áp của một pin đạt 3,6–3,8 V, gấp 2–3 lần so với pin niken-kim loại hydrua hoặc niken-cadmium. Việc sử dụng hiệu quả vật liệu catốt điện áp cao-có thể tăng điện áp hoạt động của một pin lên 4,5–5 V, đây là một trong những lý do quan trọng tạo ra mật độ năng lượng cao của pin lithium{12}}ion.

Có khả năng sạc và xả tốc độ cao.Ví dụ: tất cả pin ion lithium-rắn-trạng thái{2}}sử dụng chất điện phân polyme có thể đạt tốc độ phóng điện trên 10C với độ an toàn cao; pin lithium{4}}ion sử dụng lithium iron phosphate làm cực âm có thể đạt được mức phóng điện 100C.

Tốc độ tự xả thấp.Ở nhiệt độ phòng, tốc độ-tự xả hàng tháng của pin lithium{1}}ion thường thấp hơn 10%, thấp hơn pin niken-kim loại hydrua (15%) và một nửa so với pin niken-cadmium. Tốc độ tự xả-của pin lithium iron phosphate thường nhỏ hơn 3%.

Thân thiện với môi trường,không chứa chì, cadmium, thủy ngân và các chất độc hại khác, không gây ô nhiễm môi trường.

Không có hiệu ứng nhớ.Hiệu ứng bộ nhớ là hiện tượng dung lượng pin giảm khi được sạc lại trước khi xả hết hoặc sử dụng trước khi được sạc đầy (hiệu ứng bộ nhớ không phải là giảm dung lượng). Pin lithium{1}}ion không có hiệu ứng bộ nhớ.

An toàn tốt.Pin lithium{0}}ion thường sử dụng vật liệu cacbon làm điện cực âm, vật liệu này có thế điện cực gần với thế điện cực của lithium kim loại. Các ion lithium có thể xen kẽ và khử xen kẽ thuận nghịch trong carbon, làm giảm đáng kể khả năng lắng đọng kim loại lithium và cải thiện đáng kể độ an toàn của pin. Trong những năm gần đây, chất phụ gia-chống cháy, bộ tách-chống cháy, thiết bị PTC (hệ số nhiệt độ dương), van-chống cháy nổ, hệ thống quản lý pin và các công nghệ khác đã đảm bảo độ an toàn cực cao cho pin lithium{6}}ion.

Vòng đời dài.Vòng đời của pin lithium{0}}ion thường là hơn 500 chu kỳ. Vòng đời của pin lithium iron phosphate thường là 2000–3000 chu kỳ. Khi kết hợp với các hệ thống vật liệu anode có khả năng chu kỳ cao (như lithium titanate), có thể đạt được hơn 10.000 chu kỳ. Điều này làm cho pin lithium iron phosphate trở thành lựa chọn tốt nhất cho hệ thống pin lưu trữ năng lượng và các dự án ESS quy mô lớn-.