Класификация на литиево-йонни батерии от гледна точка на материалите

(Класификация на литиево-йонните батерии от гледна точка на материалите)

Подобно на оловните и никеловите батерии, литиево-йонните използват положителен електрод (катод), отрицателен електрод (анод) и електролит като проводник. Положителният проводник е метален оксид, а отрицателният електрод е съставен от порест графит. По време на разреждане литиевите йони се движат от отрицателния електрод към положителния електрод през електролита и сепаратора; по време на зареждане литиевите йони текат от положителния електрод към отрицателния електрод в противоположни посоки.

 

Когато батерията се зарежда и разрежда, Li+ се движи между положителния и отрицателния електрод. По време на разреждането анодът се окислява, губи електрони, а катодът се редуцира, за да се получат частици. При зареждане зарядът се движи в обратна посока.

 

Има много видове литиево-йонни батерии, в зависимост от материала на електрода. Но когато изберете различни материали, производителността на батерията ще варира значително.

 

Материалите на положителните електроди съдържат Li+. Обикновени литиево-кобалтови оксиди (литиево-кобалтови оксиди), литиево-манганови оксиди (известни също като шпинел или литиев манганат), литиево-железни фосфати, никел-кобалтово-манганови тройни материали (NMC) [3] и литиево-никел-кобалтово-алуминиеви оксиди (NCA). Всички тези материали имат теоретична горна енергийна граница (литиево-йонните имат теоретичен капацитет от около 2000 kWh, което е повече от десет пъти по-голяма специфична енергия от търговска литиево-йонна батерия).

 

Оригиналната литиево-йонна батерия на Sony използва кокс (продукт от въглища) като вреден електроден материал. От 1997 г. насам повечето производители на литиево-йонни батерии, включително Sony, са превърнали анодните материали в графит, което води до плоска крива на разреждане. Графитът е форма на въглерод, която се използва в моливите. Той може да съхранява добре литиеви йони по време на зареждане и има дълъг цикъл и отлична стабилност. От въглеродните материали графитът е най-разпространен, следван от твърд въглерод и мек въглерод. Други въглероди, като въглеродните нанотръби, все още не са намерили своето търговско приложение. Фигурата по-долу сравнява кривите на разреждане на напрежението на съвременна литиево-йонна батерия с графит като отрицателен електрод и литиево-йонна батерия със стар коксов отрицателен електрод.

 

В нормалния работен диапазон на разреждане, батерията трябва да има равна крива на напрежението, което е по-добро от предишния кокс.

 

Анодните материали също се развиват и изследователите непрекъснато експериментират с нови материали, включително сплави на силициева основа. В тази сплав шест въглеродни атома са свързани с един литиев йон, а един силициев атом може да свърже четири литиеви йона. Това означава, че отрицателният силициев електрод теоретично може да съхранява десет пъти повече енергия от графитния материал. В момента силициевите материали са увеличили специфичния си капацитет с 20%-30% за сметка на намаляване на потенциала на натоварване и цикъла на живот. Проблемът обаче е, че по време на процеса на зареждане литиевите йони лесно се разширяват по обем, след като са вградени в силициевия материал (нараствайки до повече от четири пъти първоначалния размер).

 

Наноструктурираната литиева титанатна сол има добър цикличен живот и товароносимост, отлични нискотемпературни характеристики и функционална безопасност като вреден електроден материал. Въпреки това специфичната ѝ функция е ниска, а цената е висока.

(Класификация на литиево-йонните батерии от гледна точка на материалите)