Классификация литий-ионных аккумуляторов с точки зрения материалов

(Классификация литий-ионных аккумуляторов с точки зрения материалов)

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

 

При зарядке и разрядке аккумулятора Li+ перемещается между положительными и отрицательными электродами, при разрядке анод окисляется, теряет электроны, а катод восстанавливается, получая частицы; при зарядке заряд движется в противоположном направлении.

 

Существует много типов литий-ионных аккумуляторов, в зависимости от материала электрода. Но при выборе разных материалов производительность аккумулятора будет сильно различаться.

 

Все материалы положительного электрода содержат Li+. Распространенный 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-никеля-кобальта-алюминия (NCA). Все эти материалы имеют теоретический верхний предел энергии (литий-ион имеет теоретическую емкость около 2000 кВт·ч, что более чем в десять раз превышает удельную энергию коммерческого литий-ионного аккумулятора).

 

В оригинальной литий-ионной батарее Sony в качестве вредного электродного материала используется кокс (продукт угля). С 1997 года большинство производителей литий-ионных батарей, включая Sony, заменили анодные материалы на графит, что привело к плоской кривой разряда. Графит — это форма углерода, которая используется в карандашах. Он может хорошо хранить ионы лития во время зарядки и имеет длительный цикл и превосходную стабильность. Из углеродных материалов графит является наиболее распространенным, за ним следуют твердый углерод и мягкий углерод. Другие виды углерода, такие как углеродные нанотрубки, пока не нашли своего коммерческого применения. На рисунке ниже сравниваются кривые напряжения разряда современной литий-ионной батареи с графитом в качестве отрицательного электрода и литий-ионной батареи со старым коксовым отрицательным электродом.

 

В нормальном рабочем диапазоне разряда аккумулятор должен иметь ровную кривую напряжения, что лучше, чем у прежнего кокса.

 

Материалы анодов 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 связать четыре иона лития. Это означает, что отрицательный кремниевый электрод теоретически может хранить в десять раз больше энергии, чем графитовый материал. В настоящее время удельная емкость кремниевых материалов увеличилась на 20%-30% за счет снижения потенциала нагрузки и срока службы. Однако проблема в том, что в процессе зарядки ионы лития легко расширяются в объеме после внедрения в материал на основе кремния (увеличиваясь более чем в четыре раза от первоначального размера).

 

Наноструктурированная соль титаната лития имеет хорошую циклическую долговечность и нагрузочную способность, отличные низкотемпературные характеристики и эксплуатационную безопасность в качестве вредного электродного материала. Тем не менее, ее специфическая функция низкая, а стоимость высокая.

(Классификация литий-ионных аккумуляторов с точки зрения материалов)