Լիթիումի-իոնային մարտկոցների-խորը պատկերացում

Լիթիումի մարտկոցը բարձր էներգիայի մարտկոցի նոր տեսակ է, որը հաջողությամբ մշակվել է 20-րդ դարում: Այն կարելի է հասկանալ որպես լիթիում պարունակող մարտկոց (ներառյալ մետաղական լիթիում, լիթիումի համաձուլվածք, լիթիումի իոն, լիթիումի պոլիմեր): Այն կարելի է բաժանել լիթիումի մետաղական մարտկոցի (շատ քիչ արտադրություն և օգտագործում) և լիթիումի իոնային մարտկոցի (այժմ լայնորեն օգտագործվում է): Իր առավելությունների, ինչպիսիք են բարձր հատուկ էներգիան, մարտկոցի բարձր լարումը, աշխատանքային ջերմաստիճանի լայն շրջանակը և երկար պահպանման ժամկետը, այն լայնորեն օգտագործվում է ռազմական և քաղաքացիական փոքր էլեկտրական սարքերում, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները, շարժական համակարգիչները, տեսախցիկները, տեսախցիկները և այլն, և մասամբ փոխարինել է ավանդական մարտկոցներին:

01 Լիթիումային-իոնային մարտկոցների ծագումը և զարգացումը

1970-ականներին Exxon-ի MS Whittingham-ը օգտագործեց տիտանի սուլֆիդը որպես դրական էլեկտրոդի նյութ, իսկ մետաղական լիթիումը որպես բացասական էլեկտրոդի նյութ՝ առաջին լիթիումային մարտկոցը պատրաստելու համար:

1980 թվականին Ջ. Գուդենաֆը հայտնաբերեց, որ լիթիումի կոբալտի օքսիդը կարող է օգտագործվել որպես լիթիում-իոնային մարտկոցների դրական էլեկտրոդային նյութ։

1982թ.-ին Իլինոյսի տեխնոլոգիական ինստիտուտի RRAgarwal-ը և JRSelman-ը հայտնաբերեցին, որ լիթիումի իոններն ունեն գրաֆիտի մեջ ներկառուցված լինելու հատկություն, և այս գործընթացը արագ և շրջելի է: Միևնույն ժամանակ, մետաղական լիթիումից պատրաստված լիթիումային մարտկոցների անվտանգության վտանգները մեծ ուշադրություն են գրավել, ուստի մարդիկ փորձել են օգտագործել գրաֆիտում ներկառուցված լիթիումի իոնների հատկությունները վերալիցքավորվող մարտկոցներ պատրաստելու համար: Առաջին օգտագործելի լիթիում-իոնային գրաֆիտի էլեկտրոդը հաջողությամբ փորձարկվեց-«Բելլ Լաբորատորիզ»-ի կողմից:

1983 թվականին M.Thackeray-ը, J.Goodenough-ը և այլոք հայտնաբերեցին, որ մանգանային սպինելը հիանալի դրական էլեկտրոդային նյութ է՝ ցածր գնով, կայունությամբ և գերազանց էլեկտրական և լիթիումի հաղորդունակությամբ: Այն ունի տարրալուծման բարձր ջերմաստիճան և դրա օքսիդացման հնարավորությունը շատ ավելի ցածր է, քան լիթիումի կոբալտ օքսիդինը: Նույնիսկ եթե կարճ միացում կամ գերլիցքավորում տեղի ունենա, դա կարող է խուսափել այրման և պայթյունի վտանգից:

1989թ.-ին A.Manthiram-ը և J.Goodenough-ը հայտնաբերեցին, որ դրական էլեկտրոդը, օգտագործելով պոլիմերացված անիոնները, կստեղծի ավելի բարձր լարում:

1991 թվականին Sony-ն թողարկեց առաջին առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցը։ Այնուհետև, լիթիում{3}}իոնային մարտկոցները հեղափոխեցին սպառողական էլեկտրոնիկայի տեսքը:

1996 թվականին Պադհին և Գուդենաֆը հայտնաբերեցին, որ օլիվինի կառուցվածքով ֆոսֆատները, ինչպիսիք են լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը (LiFePO4), գերազանցում են ավանդական դրական էլեկտրոդային նյութերին և, հետևաբար, դարձել են ընթացիկ հիմնական դրական էլեկտրոդների նյութերը:

Պատկեր

Լիթիում-իոնային մարտկոցները (Li-իոնային մարտկոցներ) մշակված են լիթիումային մարտկոցներից: Այսպիսով, նախքան Li-ion-ը ներկայացնելը, եկեք նախ ներկայացնենք լիթիումի մարտկոցները: Օրինակ, կոճակային մարտկոցները պատկանում են լիթիումի մարտկոցներին: Լիթիումային մարտկոցների դրական էլեկտրոդի նյութը մանգանի երկօքսիդն է կամ թիոնիլքլորիդը, իսկ բացասական էլեկտրոդը՝ լիթիումը։ Մարտկոցը հավաքելուց հետո մարտկոցն ունի լարում և լիցքավորման կարիք չունի։ Այս տեսակի մարտկոցը կարող է նաև լիցքավորվել, բայց ցիկլի կատարումը լավ չէ: Լիցքավորման և լիցքաթափման ցիկլի ընթացքում հեշտությամբ ձևավորվում են լիթիումի դենդրիտներ՝ առաջացնելով մարտկոցի ներքին կարճ միացումներ, ուստի նորմալ պայմաններում այս տեսակի մարտկոցների լիցքավորումն արգելվում է:

Ավելի ուշ ճապոնական Sony կորպորացիան հայտնագործեց լիթիումային մարտկոց՝ որպես բացասական էլեկտրոդ ածխածնային նյութով և որպես դրական էլեկտրոդ՝ լիթիում պարունակող միացություններ։ Լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացում չկա մետաղական լիթիում, միայն լիթիումի իոններ: Սա լիթիում-իոնային մարտկոց է:

1990-ականների սկզբին ճապոնական Sony Energy Development Company-ն և Կանադայի Moli Energy Company-ն համապատասխանաբար հաջողությամբ մշակեցին նոր տեսակի լիթիում-իոնային մարտկոց, որը ոչ միայն լավ արտադրողականություն ունի, այլև էկոլոգիապես մաքուր է: Տեղեկատվական տեխնոլոգիաների, ձեռքի մեքենաների և էլեկտրական մեքենաների արագ զարգացման հետ մեկտեղ, բարձր արդյունավետությամբ էներգիայի աղբյուրների պահանջարկը կտրուկ աճել է, և լիթիումային մարտկոցները դարձել են ամենաարագ զարգացող ոլորտներից մեկը։

02 Լիթիումի-իոնային մարտկոցների կառուցվածքը և սկզբունքը

(1) Լիթիում-իոնային մարտկոցների հիմնական բաղադրիչները.

① Դրական էլեկտրոդի - ակտիվ նյութերը հիմնականում վերաբերում են լիթիումի կոբալտի օքսիդին, լիթիումի մանգանի օքսիդին, լիթիումի երկաթի ֆոսֆատին, լիթիումի նիկելի օքսիդին, նիկելի կոբալտի մանգանի օքսիդին և այլն։ Հոսանքի հաղորդիչ հոսանքի կոլեկտորը սովորաբար օգտագործում է ալյումինե փայլաթիթեղ՝ 20 միկրոն 10;

② Դիֆրագմ - հատուկ պլաստիկ թաղանթ, որը թույլ է տալիս լիթիումի իոններին անցնել, բայց էլեկտրոնների համար մեկուսիչ է: Ներկայումս հիմնականում երկու տեսակ կա՝ PE և PP և դրանց համակցությունները։ Գոյություն ունի նաև անօրգանական պինդ թաղանթի մի տեսակ, ինչպիսին է ալյումինե դիֆրագմայի ծածկույթը, որը անօրգանական պինդ թաղանթ է;

③ Բացասական էլեկտրոդ - ակտիվ նյութը հիմնականում վերաբերում է գրաֆիտին, լիթիումի տիտանատին կամ ածխածնային նյութերին, որոնց կառուցվածքը նման է գրաֆիտին: Հաղորդող հոսանքի կոլեկցիոները սովորաբար օգտագործում է 7-15 մկմ հաստությամբ պղնձե փայլաթիթեղ;

④ Էլեկտրոլիտ - ընդհանուր առմամբ օրգանական համակարգ է, օրինակ՝ լիթիումի հեքսաֆտորոֆոսֆատով լուծված կարբոնատային լուծիչներ, և որոշ պոլիմերային մարտկոցներ օգտագործում են գել էլեկտրոլիտներ;

⑤ Մարտկոցի պատյան - հիմնականում բաժանված է կոշտ պատյանների (պողպատե պատյան, ալյումինե պատյան, նիկելային-երկաթյա պատյան և այլն) և փափուկ փաթեթի (ալյումինե-պլաստիկ թաղանթ):

Նկար

Երբ մարտկոցը լիցքավորվում է, լիթիումի իոնները լուծարվում են դրական էլեկտրոդից և տեղադրվում բացասական էլեկտրոդի մեջ և հակառակը՝ լիցքաթափման ժամանակ։ Սա պահանջում է, որ էլեկտրոդը լինի լիթիումային-միաձուլված վիճակում մինչև հավաքումը: Ընդհանրապես, որպես դրական էլեկտրոդ ընտրվում են լիթիումի-միջանկյալ անցումային մետաղների օքսիդները, որոնց պոտենցիալը ավելի քան 3V է լիթիումի նկատմամբ և կայուն օդում, ինչպիսիք են LiCoO2, LiNiO2 և LiMn2O4:

Որպես բացասական էլեկտրոդի նյութ, ընտրվում են լիթիումի{0}ներդրվող միացություններ, որոնց պոտենցիալը հնարավորինս մոտ է լիթիումի պոտենցիալին, ինչպիսիք են տարբեր ածխածնային նյութեր, ներառյալ բնական գրաֆիտը, սինթետիկ գրաֆիտը, ածխածնի մանրաթելերը, մեսոֆազ սֆերուլիտը և այլն, և մետաղների օքսիդները, ներառյալ SnO, SnO2, անագ կոմպոզիտային օքսիդ (~Bx{0}n): y=0.6~0.4, z=(2+3x+5y)/2) և այլն:

Էլեկտրոլիտը ընդունում է ալկիլ կարբոնատների խառը լուծիչների համակարգ, ինչպիսիք են էթիլեն կարբոնատը (EC), պրոպիլեն կարբոնատը (PC) և LiPF6-ի ցածր{0}}մածուցիկության դիէթիլ կարբոնատը (DEC):

Դիֆրագմն ընդունում է պոլիոլեֆինային միկրոծակոտկեն թաղանթներ, ինչպիսիք են PE, PP կամ դրանց կոմպոզիտային թաղանթները, հատկապես PP/PE/PP եռաշերտ թաղանթը, որը ոչ միայն ունի ցածր հալման կետ, այլև ունի բարձր ծակող դիմադրության ուժ, ինչը ջերմային ապահովագրության դեր է խաղում:

Կեղևը պատրաստված է պողպատից կամ ալյումինից, իսկ ծածկույթի հավաքածուն ունի պայթուցիկ-հոսանքի-անջատման գործառույթ:

(2) Աշխատանքի հիմնական սկզբունքը

Երբ մարտկոցը լիցքավորվում է, լիթիումի իոններն ազատվում են դրական էլեկտրոդի լիթիում-պարունակող միացությունից, և լիթիումի իոնները էլեկտրոլիտի միջոցով շարժվում են դեպի բացասական էլեկտրոդ։ Բացասական էլեկտրոդում ածխածնային նյութն ունի շերտավոր կառուցվածք՝ բազմաթիվ միկրոծակներով: Լիթիումի իոնները, որոնք հասնում են բացասական էլեկտրոդին, ներկառուցված են ածխածնային շերտի միկրոծակոտիներում։ Որքան շատ լիթիումի իոններ են ներկառուցված, այնքան բարձր է լիցքավորման հզորությունը:

Երբ մարտկոցը լիցքաթափվում է (այսինքն՝ մարտկոցի օգտագործման գործընթացը), բացասական էլեկտրոդի ածխածնային շերտում ներկառուցված լիթիումի իոններն ազատվում են և նորից շարժվում դեպի դրական էլեկտրոդ։ Որքան շատ լիթիումի իոններ վերադառնում են դրական էլեկտրոդ, այնքան բարձր է լիցքաթափման հզորությունը: Այն, ինչ մենք սովորաբար անվանում ենք մարտկոցի հզորություն, վերաբերում է լիցքաթափման հզորությանը:

Լիթիումի-իոնային մարտկոցների լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացում լիթիումի իոնները շարժվում են դրական էլեկտրոդից → բացասական էլեկտրոդից → դրական էլեկտրոդից։ Սա նման է ճոճաթոռի, որտեղ ճոճաթոռի երկու ծայրերը մարտկոցի երկու բևեռներ են, իսկ լիթիումի իոնները շարժվում են ետ ու առաջ ճոճաթոռի երկու ծայրերում: Հետևաբար, լիթիում-իոնային մարտկոցները կոչվում են նաև ճոճաթոռի մարտկոցներ։

Նկար
Նկար

Լիցքավորման և լիցքաթափման մեխանիզմ

Լիթիումային-իոնային մարտկոցների լիցքավորման գործընթացը բաժանված է երկու փուլի՝ մշտական ​​հոսանքի լիցքավորման փուլ և մշտական ​​լարման հոսանքի նվազող լիցքավորման փուլ։

Լիթիում-իոնային մարտկոցների գերլիցքավորումը և լիցքաթափումը մշտական ​​վնաս կհասցնի դրական և բացասական էլեկտրոդներին: Չափից դուրս լիցքաթափումը հանգեցնում է բացասական էլեկտրոդի ածխածնային թերթիկի կառուցվածքի փլուզմանը, և փլուզումը կկանխի լիթիումի իոնների տեղադրումը լիցքավորման ժամանակ. Գերլիցքավորումը հանգեցնում է բացասական էլեկտրոդի ածխածնային կառուցվածքի մեջ շատ լիթիումի իոնների տեղադրմանը, ինչի հետևանքով լիթիումի իոնների մի մասն այլևս չի ազատվում:

Լիթիումի{0}}իոնային մարտկոցների լիցքավորման և լիցքաթափման լավագույն եղանակը արդյունավետությունը պահպանելու համար մակերեսային լիցքավորումն ու մակերեսային լիցքաթափումն է: Ընդհանուր առմամբ, 60% DOD-ը 2-ից 4 անգամ գերազանցում է ցիկլի կյանքը 100% DOD-ի պայմաններում:

03 Լիթիում-իոնային մարտկոցների աշխատանքի հիմնական ցուցանիշները

(1) Մարտկոցի հզորությունը

Մարտկոցի հզորությունը կարելի է բաժանել անվանական հզորության և իրական հզորության: Մարտկոցի անվանական հզորությունը վերաբերում է էլեկտրաէներգիայի քանակին, որը պետք է տրամադրի մարտկոցը, երբ այն լիցքաթափվում է մինչև վերջնակետային լարման 5 ժամ արագությամբ 20 աստիճան ±5 աստիճան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում և ներկայացված է C5-ով: Մարտկոցի իրական հզորությունը վերաբերում է որոշակի լիցքաթափման պայմաններում մարտկոցի կողմից լիցքաթափված էլեկտրաէներգիայի իրական քանակին, որի վրա հիմնականում ազդում են լիցքաթափման արագությունը և ջերմաստիճանը (այսպես, խստորեն ասած, մարտկոցի հզորությունը պետք է ցույց տա լիցքավորման և լիցքաթափման պայմանները):

Հզորության միավորը՝ mAh, Ah (1Ah=1000mAh):

(2) Մարտկոցի ներքին դիմադրություն

Մարտկոցի ներքին դիմադրությունը վերաբերում է դիմադրությանը, որը հանդիպում է մարտկոցի միջով հոսող հոսանքի ժամանակ, երբ մարտկոցը աշխատում է: Այն բաղկացած է երկու մասից՝ ohmic ներքին դիմադրություն և բևեռացման ներքին դիմադրություն: Մարտկոցի մեծ ներքին դիմադրությունը կհանգեցնի լիցքաթափման ավելի ցածր լարման և լիցքաթափման ավելի կարճ ժամանակի: Ներքին դիմադրության չափի վրա հիմնականում ազդում են այնպիսի գործոններ, ինչպիսիք են մարտկոցի նյութը, արտադրության գործընթացը և մարտկոցի կառուցվածքը: Մարտկոցի ներքին դիմադրությունը մարտկոցի արդյունավետությունը չափելու կարևոր պարամետր է:

(3) Լարման

Բաց շղթայի լարումը վերաբերում է մարտկոցի դրական և բացասական էլեկտրոդների միջև պոտենցիալ տարբերությանը, երբ մարտկոցը չի աշխատում, այսինքն, երբ միացումում հոսանք չկա: Ընդհանուր առմամբ, լիթիումի-իոնային մարտկոցի բաց միացման լարումը կազմում է մոտ 4,1-4,2 Վ՝ այն ամբողջությամբ լիցքավորվելուց հետո, և մոտ 3,0 Վ՝ լիցքաթափվելուց հետո։ Մարտկոցի լիցքավորման վիճակը կարելի է որոշել՝ հայտնաբերելով մարտկոցի բաց շղթայի լարումը:

Գործող լարումը, որը նաև հայտնի է որպես տերմինալային լարում, վերաբերում է մարտկոցի դրական և բացասական էլեկտրոդների պոտենցիալ տարբերությանը, երբ մարտկոցը աշխատանքային վիճակում է, այսինքն, երբ միացումում հոսում է հոսանք: Երբ հոսանքը հոսում է մարտկոցի միջով, այն պետք չէ հաղթահարել մարտկոցի ներքին դիմադրության հետևանքով առաջացած դիմադրությունը, ուստի աշխատանքային լարումը միշտ ցածր է բաց միացման լարումից: Լիցքավորման ժամանակ հակառակն է: Լիթիում-իոնային մարտկոցների լիցքաթափման աշխատանքային լարումը մոտ 3,6 Վ է:

(4) Լիցքաթափման հարթակի ժամանակը

Լիցքաթափման հարթակի ժամանակը վերաբերում է լիցքաթափման ժամանակին, երբ մարտկոցը լիովին լիցքավորվում է որոշակի լարման: Օրինակ, չափվում է եռակի մարտկոցի լիցքաթափման պլատֆորմի ժամանակը 3.6 Վ-ում: Լարումը լիցքավորվում է 4,2 Վ մշտական ​​լարման դեպքում, իսկ լիցքավորման հոսանքը 0,02C-ից պակաս է: Այնուհետև մարտկոցը լիովին լիցքավորվում է և մենակ մնում 10 րոպե։ Լիցքաթափման ժամանակը, երբ մարտկոցը լիցքաթափվում է մինչև 3,6 Վ լիցքաթափման ցանկացած հոսանքի դեպքում, լիցքաթափման հարթակի ժամանակն է այդ հոսանքի ժամանակ:

Քանի որ որոշ էլեկտրական սարքեր, որոնք օգտագործում են լիթիում-իոնային մարտկոցներ, ունեն լարման պահանջներ, եթե լարումը պահանջվող արժեքից ցածր է, դրանք չեն աշխատի: Հետեւաբար, լիցքաթափման հարթակը մարտկոցների արդյունավետությունը չափելու կարեւոր չափանիշներից մեկն է:

(5) Լիցքավորման և լիցքաթափման տոկոսադրույքը

Լիցքավորման և լիցքաթափման արագությունը վերաբերում է ընթացիկ արժեքին, որը պահանջվում է, որպեսզի մարտկոցը լիցքաթափի իր անվանական հզորությունը որոշակի ժամանակում։. 1C-ն թվայինորեն հավասար է մարտկոցի անվանական հզորությանը և սովորաբար ներկայացված է C տառով։ Օրինակ, եթե մարտկոցի անվանական անվանական հզորությունը 10Ah է, ապա 10A-ն 1C է (1 աստիճանը ։ վրա.

(6) Ինքնալիցքաթափման մակարդակը

Ինքն-լիցքաթափման արագությունը, որը նաև հայտնի է որպես լիցքավորման պահման հզորություն, վերաբերում է մարտկոցի կարողությանը պահպանել մարտկոցում կուտակված էլեկտրաէներգիայի քանակը որոշակի պայմաններում, երբ մարտկոցը գտնվում է բաց միացման վիճակում: Դրա վրա հիմնականում ազդում են այնպիսի գործոններ, ինչպիսիք են արտադրության գործընթացը, նյութերը և մարտկոցի պահպանման պայմանները: Դա կարևոր պարամետր է մարտկոցի աշխատանքը չափելու համար:

(7) Արդյունավետություն

Լիցքավորման արդյունավետությունը վերաբերում է այն աստիճանին, որով լիցքավորման գործընթացում մարտկոցի կողմից սպառված էլեկտրական էներգիան վերածվում է քիմիական էներգիայի, որը մարտկոցը կարող է պահել: Դրա վրա հիմնականում ազդում են մարտկոցի գործընթացը, բանաձևը և մարտկոցի աշխատանքային միջավայրի ջերմաստիճանը: Ընդհանուր առմամբ, որքան բարձր է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը, այնքան ցածր է լիցքավորման արդյունավետությունը:

Լիցքաթափման արդյունավետությունը վերաբերում է որոշակի լիցքաթափման պայմաններում լիցքաթափվող էլեկտրաէներգիայի փաստացի քանակի և տերմինալի լարման հարաբերակցությանը մարտկոցի անվանական հզորությանը: Դրա վրա հիմնականում ազդում են այնպիսի գործոններ, ինչպիսիք են լիցքաթափման արագությունը, շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը և ներքին դիմադրությունը: Ընդհանուր առմամբ, որքան բարձր է լիցքաթափման արագությունը, այնքան ցածր է լիցքաթափման արդյունավետությունը: Որքան ցածր է ջերմաստիճանը, այնքան ցածր է արտանետման արդյունավետությունը:

(8) ցիկլային կյանք

Մարտկոցի ցիկլի ժամկետը վերաբերում է լիցքավորման և լիցքաթափման դեպքերի քանակին, երբ մարտկոցը ենթարկվում է որոշակի լիցքավորման և լիցքաթափման ռեժիմի, երբ մարտկոցի հզորությունը նվազում է մինչև որոշակի սահմանված արժեք: Լիթիում{1}}իոնային մարտկոցների ԳԲ-ն սահմանում է, որ 1C ջերմաստիճանում 500 ցիկլից հետո մարտկոցի հզորության պահպանման մակարդակը 60%-ից բարձր է:

04 Լիթիումի-իոնային մարտկոցների հիմնական դասակարգումները

① Ըստ տարբեր էլեկտրոլիտային նյութերի, որոնք օգտագործվում են լիթիումային մարտկոցներում, լիթիումային մարտկոցները կարելի է բաժանել երկու կատեգորիայի՝ հեղուկ լիթիումի մարտկոցներ (լիթիումի իոնային մարտկոցներ, կրճատ՝ LIB) և պոլիմերային լիթիումային մարտկոցներ (պոլիմերային լիթիումիոն մարտկոցներ, կրճատ՝ LIP)։

② Ըստ լիցքավորման եղանակի՝ դրանք կարելի է բաժանել երկու կատեգորիայի՝ չ-վերալիցքավորվող և վերալիցքավորվող։
③ Լիթիումի մարտկոցի տեսքը՝ քառակուսի լիթիումային մարտկոց (ինչպես, օրինակ, սովորաբար օգտագործվող բջջային հեռախոսների մարտկոցները) և գլանաձև (օրինակ՝ 18650, 18500);
④ Լիթիումի մարտկոցի փաթեթավորման նյութեր.
⑤ Լիթիումի մարտկոց դրական և բացասական էլեկտրոդների նյութերից (հավելանյութեր)՝ լիթիումի կոբալտ օքսիդի (LiCoO2) մարտկոց, լիթիումի մանգանի օքսիդ (LiMn2O4), լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ մարտկոց, միանգամյա օգտագործման մանգան երկօքսիդի լիթիումի մարտկոց։