Լիթիում-իոնային մարտկոցը երկրորդական մարտկոց է (վերալիցքավորվող մարտկոց), որը հիմնականում հիմնված է լիթիումի իոնների շարժման վրա դրական էլեկտրոդի և բացասական էլեկտրոդի միջև։ Լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացում Li+-ը տեղադրվում և անջատվում է երկու էլեկտրոդների միջև. լիցքավորելիս Li+-ը ներկառուցվում է դրական էլեկտրոդից, ներկառուցվում է բացասական էլեկտրոդում էլեկտրոլիտի միջոցով, իսկ բացասական էլեկտրոդը լիթիումով{6}առատ վիճակում է. ճիշտ հակառակն է լիցքաթափման ժամանակ:
ՄԱՍ 1 Ներածություն մարտկոցներին
Լիթիումային մարտկոցները բաժանվում են լիթիումային մարտկոցների և լիթիումային-իոնային մարտկոցների։ Բջջային հեռախոսներն ու դյուրակիր համակարգիչները օգտագործում են լիթիում-իոնային մարտկոցներ, որոնք սովորաբար հայտնի են որպես լիթիումի մարտկոցներ: Մարտկոցները որպես էլեկտրոդներ սովորաբար օգտագործում են լիթիումի տարրեր պարունակող նյութեր և հանդիսանում են ժամանակակից բարձր արդյունավետության{4}}մարտկոցների ներկայացուցիչը։ Այնուամենայնիվ, իրական լիթիումային մարտկոցները հազվադեպ են օգտագործվում ամենօրյա էլեկտրոնային արտադրանքներում, քանի որ դրանք բարձր ռիսկի են:
Լիթիումի-իոնային մարտկոցներն առաջին անգամ մշակվել են Ճապոնիայի Sony կորպորացիայի կողմից 1990 թվականին: Այն ներկառուցում է լիթիումի իոնները ածխածնի մեջ (նավթային կոքս և գրաֆիտ)՝ ձևավորելու բացասական էլեկտրոդ (ավանդական լիթիումային մարտկոցները որպես բացասական էլեկտրոդ օգտագործում են լիթիում կամ լիթիումի համաձուլվածք): Որպես դրական էլեկտրոդի նյութ սովորաբար օգտագործվում է LixCoO2, ինչպես նաև օգտագործվում են LixNiO2 և LixMnO4: Որպես էլեկտրոլիտ օգտագործվում է LiPF6+դիէթիլեն կարբոնատ (EC)+դիմեթիլ կարբոնատ (DMC):
Նավթային կոքսը և գրաֆիտը ոչ-թունավոր են և առատ ռեսուրսներով՝ որպես բացասական էլեկտրոդի նյութեր: Լիթիումի իոնները ներկառուցված են ածխածնի մեջ, որը հաղթահարում է լիթիումի բարձր ակտիվությունը և լուծում ավանդական լիթիումային մարտկոցների անվտանգության խնդիրները։ Դրական LixCoO2 էլեկտրոդը կարող է հասնել լիցքավորման և լիցքաթափման բարձր մակարդակի և ծառայության ժամկետի, ինչը նվազեցնում է արժեքը: Մի խոսքով, լիթիում-իոնային մարտկոցների համապարփակ աշխատանքը բարելավվել է: Ակնկալվում է, որ 21-րդ դարում լիթիում-իոնային մարտկոցները մեծ շուկա կզբաղեցնեն։
Լիթիում{0}}իոնային երկրորդական մարտկոցների լիցքավորման և լիցքավորման ռեակցիայի բանաձևը հետևյալն է.
ՄԱՍ 2 Մարտկոցի տարբերություն
Լիթիում-իոնային մարտկոցները հեշտությամբ շփոթվում են հետևյալ երկու մարտկոցների հետ
Լիթիումի մարտկոցներ. օգտագործեք մետաղական լիթիում որպես բացասական էլեկտրոդ:
Լիթիում-իոնային մարտկոցներ. օգտագործեք ոչ-ջրային հեղուկ օրգանական էլեկտրոլիտներ:
Լիթիումի-իոնային պոլիմերային մարտկոցներ. օգտագործեք պոլիմերներ հեղուկ օրգանական լուծիչներ գելելու համար կամ ուղղակիորեն օգտագործեք բոլոր-պինդ էլեկտրոլիտները: Լիթիում-իոնային մարտկոցները սովորաբար օգտագործում են գրաֆիտ ածխածնային նյութեր՝ որպես բացասական էլեկտրոդներ։
ՄԱՍ 3 Հիմնական տեսակներ
Ըստ տարբեր էլեկտրոլիտային նյութերի, որոնք օգտագործվում են լիթիումի-իոնային մարտկոցներում, լիթիումի-իոնային մարտկոցները բաժանվում են հեղուկ լիթիում-իոնային մարտկոցների (Liquified Lithium-Ion Battery, որը կոչվում է LIB), խտացված լիթիումի-իոնային մարտկոցների և պոլիմերային լիթիումի մարտկոցների։ Լիթիում-Իոնային մարտկոց, որը կոչվում է PLB):
3.1 Հեղուկ լիթիում-իոնային մարտկոցներ
Վերալիցքավորվող լիթիում-իոնային մարտկոցներն ամենաշատ օգտագործվող մարտկոցներն են ժամանակակից թվային արտադրանքներում, ինչպիսիք են բջջային հեռախոսները և նոութբուքերը: Հետեւաբար, մարտկոցի վրա կան պաշտպանիչ բաղադրիչներ կամ պաշտպանիչ սխեմաներ՝ թանկարժեք մարտկոցների վնասումը կանխելու համար: Լիթիում-իոնային մարտկոցի լիցքավորման պահանջները շատ բարձր են: Ապահովելու համար, որ ավարտական լարման ճշգրտությունը ±1%-ի սահմաններում է, կիսահաղորդչային սարքերի խոշոր արտադրողները մշակել են լիթիումի-իոնային մարտկոցների լիցքավորման մի շարք IC-ներ՝ ապահով, հուսալի և արագ լիցքավորում ապահովելու համար:
Հիմնական բջջային հեռախոսները հագեցած են լիթիում-իոնային մարտկոցներով: Լիթիում-իոնային մարտկոցների ճիշտ օգտագործումը շատ կարևոր է մարտկոցի կյանքը երկարացնելու համար: Այն կարելի է դարձնել հարթ ուղղանկյուն, գլանաձև, ուղղանկյուն և կոճակային-ձևավորված՝ ըստ տարբեր էլեկտրոնային արտադրանքների պահանջների, և կան մարտկոցներ, որոնք կազմված են մի քանի մարտկոցներից, որոնք միացված են հաջորդաբար և զուգահեռ: Լիթիում-իոնային մարտկոցների անվանական լարումը հիմնականում 3,7 Վ է նյութական փոփոխությունների պատճառով, մինչդեռ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ դրական էլեկտրոդներինը 3,2 Վ է։ Լիցքավորման վերջնական լարումը, երբ ամբողջովին լիցքավորված է, սովորաբար 4,2 Վ է, իսկ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատինը 3,65 Վ է: Լիթիում{13}}իոնային մարտկոցների վերջնական լիցքաթափման լարումը 2,75 Վ-ից 3,0 Վ է (մարտկոցի գործարանը տալիս է աշխատանքային լարման տիրույթը կամ վերջնական լիցքաթափման լարումը, և պարամետրերը մի փոքր տարբեր են՝ հիմնականում 3,0 Վ, իսկ երկաթի ֆոսֆատինը 2,5 Վ է)։ 2,5 Վ-ից ցածր լիցքաթափումը (2,0 Վ՝ լիթիումի երկաթի ֆոսֆատի դեպքում) կոչվում է լիցքաթափում, որը կվնասի մարտկոցը:
Լիթիում-իոնային մարտկոցները լիթիումի կոբալտ օքսիդի տիպի նյութերով որպես դրական էլեկտրոդներ հարմար չեն բարձր-հոսանքի լիցքաթափման համար։ Ընթացքի չափազանց մեծ արտանետումը կնվազեցնի լիցքաթափման ժամանակը (ներսում ավելի բարձր ջերմաստիճան կստեղծվի, և էներգիան կկորչի), և կարող է վտանգավոր լինել. բայց լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ դրական էլեկտրոդային նյութերով լիթիումի մարտկոցները կարող են լիցքավորվել և լիցքաթափվել 20C կամ նույնիսկ ավելի մեծ հոսանքի դեպքում (C-ն մարտկոցի հզորությունն է, օրինակ՝ C{4}}mAh, 1C լիցքավորման արագությունը նշանակում է, որ լիցքավորման հոսանքը 800 մԱ է), ինչը հատկապես հարմար է էլեկտրական մեքենաների համար։ Հետևաբար, մարտկոցի արտադրողը տալիս է լիցքաթափման առավելագույն հոսանքը, որը օգտագործման ընթացքում պետք է պակաս լինի լիցքաթափման առավելագույն հոսանքից: Լիթիում-իոնային մարտկոցները ունեն որոշակի ջերմաստիճանի պահանջներ: Գործարանը տալիս է լիցքավորման ջերմաստիճանի միջակայքը, լիցքաթափման ջերմաստիճանի միջակայքը և պահեստավորման ջերմաստիճանի միջակայքը: Գերլարման լիցքավորումը մշտական վնաս կհասցնի լիթիում{12}}իոնային մարտկոցներին: Լիթիում{14}}իոնային մարտկոցների լիցքավորման հոսանքը պետք է հիմնված լինի մարտկոցի արտադրողի առաջարկությունների վրա, և հոսանքի սահմանափակման միացում է պահանջվում՝ գերհոսանքից (գերտաքացումից) խուսափելու համար։ Սովորաբար օգտագործվող լիցքավորման արագությունը 0.25C-1C է: Մեծ հոսանքով լիցքավորելիս մարտկոցի ջերմաստիճանը հաճախ հայտնաբերվում է, որպեսզի գերտաքացումը չվնասի մարտկոցը կամ չառաջացնի պայթյուն:
Լիթիումային-իոնային մարտկոցի լիցքավորումը բաժանված է երկու փուլի՝ սկզբում մշտական հոսանքի լիցքավորում, այնուհետև անցնում է մշտական լարման լիցքավորման, երբ մոտենում է ավարտական լարմանը: Օրինակ, 800 մԱ/ժ հզորությամբ մարտկոցն ունի 4,2 Վ լիցքավորման ավարտի լարում: Մարտկոցը լիցքավորվում է 800 մԱ մշտական հոսանքով (լիցքավորման արագությունը 1C է): Սկզբում մարտկոցի լարումը մեծանում է մեծ թեքությամբ։ Երբ մարտկոցի լարումը մոտ է 4,2 Վ-ին, այն փոխվում է 4,2 Վ մշտական լարման լիցքավորման, հոսանքն աստիճանաբար նվազում է, իսկ լարումը շատ չի փոխվում։ Երբ լիցքավորման հոսանքն իջնում է մինչև 1/10-50C (յուրաքանչյուր գործարանի կարգավորումների արժեքը տարբեր է և չի ազդում օգտագործման վրա), համարվում է, որ այն մոտ է լրիվ, և լիցքավորումը կարող է դադարեցվել (որոշ լիցքավորիչներ ժմչփը սկսում են 1/10C-ից հետո և ավարտում լիցքավորումը որոշակի ժամանակահատվածից հետո):
3.2 Խտացված լիթիում-իոնային մարտկոց
2023 թվականի ապրիլի 19-ին CATL-ը թողարկեց մինչև 500 Վտժ/կգ էներգիայի խտությամբ խտացված մարտկոց, որը զանգվածային արտադրության հզորություն կունենա 2023 թվականին։
ՄԱՍ 4 Աշխատանքային սկզբունք
Լիթիում-իոնային մարտկոցները որպես բացասական էլեկտրոդներ օգտագործում են ածխածնային նյութեր, իսկ որպես դրական էլեկտրոդներ լիթիում պարունակող-միացություններ: Չկա մետաղական լիթիում, միայն լիթիումի իոններ: Սա լիթիում-իոնային մարտկոց է: Լիթիում-իոնային մարտկոցները վերաբերում են լիթիումի իոնային ներկառուցված միացություններով մարտկոցների ընդհանուր տերմինին որպես դրական էլեկտրոդի նյութեր: Լիթիումի-իոնային մարտկոցների լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացը լիթիումի իոնային մարտկոցների ներկառուցման և հեռացման գործընթացն է։ Լիթիումի իոնների ներկառուցման և ապամոնտաժման գործընթացում ուղեկցվում է նաև լիթիումի իոններին համարժեք էլեկտրոնների ներկառուցումը և ապամոնտաժումը (սովորական է օգտագործել ներկառուցումը կամ դե{13}}ներկառուցումը դրական էլեկտրոդը ներկայացնելու համար, իսկ էլեկտրոդը ներդնելը կամ էլեկտրոդը ներկայացնելը{12}}): Լիցքավորման և լիցքաթափման գործընթացում լիթիումի իոնները ներկառուցվում են/դե-ներդրվում և տեղադրվում/տեղադրվում են-դրական և բացասական էլեկտրոդների միջև ետ ու առաջ, ինչը վառ կերպով կոչվում է «ճոճվող աթոռի մարտկոց»:
Երբ մարտկոցը լիցքավորվում է, մարտկոցի դրական էլեկտրոդի վրա առաջանում են լիթիումի իոններ, իսկ առաջացած լիթիումի իոնները էլեկտրոլիտի միջոցով շարժվում են դեպի բացասական էլեկտրոդ։ Ածխածինը որպես բացասական էլեկտրոդ ունի շերտավոր կառուցվածք և ունի բազմաթիվ միկրոծակեր: Լիթիումի իոնները, որոնք հասնում են բացասական էլեկտրոդին, ներկառուցված են ածխածնային շերտի միկրոծակոտիներում։ Որքան շատ լիթիումի իոններ են ներկառուցված, այնքան բարձր է լիցքավորման հզորությունը: Նմանապես, երբ մարտկոցը լիցքաթափվում է (այսինքն՝ մարտկոցի օգտագործման գործընթացը), բացասական էլեկտրոդի ածխածնային շերտում ներկառուցված լիթիումի իոնները ազատվում են և հետ են շարժվում դեպի դրական էլեկտրոդ։ Որքան շատ լիթիումի իոններ վերադառնում են դրական էլեկտրոդ, այնքան բարձր է լիցքաթափման հզորությունը:
Նկար
Ընդհանուր առմամբ, լիթիումային մարտկոցների լիցքավորման հոսանքը սահմանվում է 0,2C-ից մինչև 1C: Որքան մեծ է հոսանքը, այնքան ավելի արագ է լիցքավորումը և այնքան մեծ է մարտկոցի ջերմությունը: Ընդ որում, եթե հոսանքը չափազանց մեծ է, հզորությունը լրիվ չի լինի, քանի որ մարտկոցի ներսում էլեկտրաքիմիական ռեակցիան ժամանակ է պահանջում։ Ճիշտ այնպես, ինչպես գարեջուր լցնելը, եթե այն շատ արագ լցնեք, այն փրփուր կառաջացնի և չի լցվի:
ՄԱՍ 5 Բաղադրիչներ
Պողպատե կեղև/ալյումինե պատյան/գլան/փափուկ փաթեթավորման շարք
Դրական էլեկտրոդ. Ակտիվ նյութը հիմնականում լիթիումի մանգանի օքսիդն է կամ լիթիումի կոբալտի օքսիդը, նիկել կոբալտ մանգանի օքսիդը, իսկ էլեկտրական հեծանիվները սովորաբար օգտագործում են նիկել կոբալտի մանգանի օքսիդ (սովորաբար հայտնի է որպես եռակի) կամ եռյակ + փոքր քանակությամբ լիթիումի մանգանի օքսիդ: Մաքուր լիթիումի մանգանի օքսիդը և լիթիումի երկաթի ֆոսֆատը աստիճանաբար մարում են մեծ չափերի, վատ կատարողականության կամ բարձր գնի պատճառով: Հաղորդող հոսանքի կոլեկցիոներն օգտագործում է 10-20 մկմ հաստությամբ էլեկտրոլիտիկ ալյումինե փայլաթիթեղ:
Դիֆրագմ. հատուկ ձևավորված պոլիմերային թաղանթ միկրոծակոտկեն կառուցվածքով, որը թույլ է տալիս լիթիումի իոններին ազատորեն անցնել, բայց էլեկտրոնները չեն կարող անցնել:
Բացասական էլեկտրոդ․ ակտիվ նյութը գրաֆիտ է կամ ածխածինը՝ գրաֆիտի{0}նման կառուցվածքով, իսկ հաղորդիչ հոսանքի կոլեկտորն օգտագործում է 7-15 մկմ հաստությամբ էլեկտրոլիտային պղնձե փայլաթիթեղ։
Էլեկտրոլիտ. կարբոնատային լուծիչ՝ լուծված լիթիումի հեքսաֆտորոֆոսֆատով և գել էլեկտրոլիտ պոլիմերների համար:
Մարտկոց.
