درک ليتيوم يون

- Aug 14, 2017-

تا اوایل دهه 1970 اولین باتری لیتیوم غیر قابل شارژ تجاری در دسترس نبود. تلاش برای توسعه باتری های قابل شارژ لیتیوم در دهه 1980 ادامه داشت، اما تلاش برای شکست خوردن به دلیل عدم ثبات در لیتیوم فلزی مورد استفاده در مواد آند بود.

لیتیوم سبک ترین فلزات است، دارای پتانسیل الکتروشیمیایی بالایی است و بیشترین انرژی خاص در هر وزن را تولید می کند. باتری های قابل شارژ با فلز لیتیوم بر روی آند (الکترودهای منفی) می تواند تراکم انرژی فوق العاده بالا را فراهم کند، با این حال، دوچرخه سواری باعث ایجاد ناخواسته dendrites در آند که می تواند نفوذ جداساز و باعث کوتاه مدت برق است. دمای سلول به سرعت افزایش می یابد و به نقطه ذوب لیتیوم نزدیک می شود، که باعث فرار حرارتی می شود، همچنین به عنوان "تهویه با شعله" شناخته می شود.

بی ثباتی ذاتی فلز لیتیوم، به خصوص در هنگام شارژ، تحقیق را به یک راه حل غیر فلزی با استفاده از یون های لیتیوم منتقل می کند . با وجودی که در انرژی خاصی از فلز لیتیوم کمتر استفاده می شود، لیتیوم یون بی خطر است، زیرا تولیدکنندگان سلول و بستهبندی باتری اقدامات ایمنی را در حفظ ولتاژ و جریان برای حفظ سطح انجام می دهند. در سال 1991، سونی نخستین باتری لیتیوم یون را به بازار عرضه کرد و امروزه این شیمی بیشترین امیدبخش و سریعترین محصول در بازار است. در همین حال، تحقیق همچنان به ایجاد یک باتری لیتیوم فلزی امن در امید به آن را امن است.

در سال 1994، هزینه تولید بیش از 10 دلار برای تولید لیتیوم یونی در سلول استوانه 18650 * تحویل ظرفیت 1،100mAh. در سال 2001، قیمت به 2 دلار کاهش یافت و ظرفیت آن به 1900 میلیون دلاری افزایش یافت. امروزه، سلولهای 18650 با انرژی بالا، بیش از 3000 میلیآمپر را تامین می کنند و هزینه های بیشتری نیز کاهش یافته است. کاهش هزینه، افزایش انرژی خاص و عدم وجود مواد سمی، راه را برای تولید لیتیوم یون باتری قابل قبول برای کاربر قابل حمل، ابتدا در صنعت مصرف کننده و در حال حاضر به طور فزاینده ای نیز در صنایع سنگین، از جمله نیروگاه های برقی برای وسایل نقلیه پیچیده شده است.

در سال 2009، تقریبا 38 درصد از تمام باتری ها با درآمد، Li-ion بود. لیتیوم یک باتری با کمترین نگهداری است، مزیت بسیاری از سایر مواد شیمیایی نمی تواند ادعا کند. باتری هیچ حافظه ای ندارد و نیازی به تمرین برای حفظ شکل ندارد. خود تخلیه کمتر از نیمی از سیستم های مبتنی بر نیکل است. این باعث می شود که لیتیوم یون به خوبی برای کاربردهای سنجنده سوخت مناسب باشد. ولتاژ نامی سلول 3.6 ولت می تواند به طور مستقیم تلفن های همراه و دوربین های دیجیتال را به قدرت برساند و باعث ساده سازی و کاهش هزینه ها در زمینه طراحی چند سلولی می شود. ابهام قیمت بالا بوده است، اما این سطح از هم گسیختگی، به خصوص در بازار مصرف کننده.

انواع باتری های لیتیوم یون

شبیه به معماری مبتنی بر سرب و نیکل، یون لیتیوم از کاتد (الکترود مثبت)، آند (الکترود منفی) و الکترولیت به عنوان هادی استفاده می کند. کاتد یک اکسید فلزی است و آند از کربن متخلخل تشکیل شده است. در جریان تخلیه، یون ها از طریق آند به کاتد از طریق الکترولیت و جداساز جریان می یابند؛ شارژ مسیر را تغییر داده و جریان یونها را از کاتد به آنود جریان می دهد. شکل 1 روند را نشان می دهد.
شکل 1: جریان یون در باتری لیتیوم یون
وقتی که سلول ها تخلیه و تخلیه می شوند، یون ها بین کاتد (الکترود مثبت) و آند (الکترود منفی) شاتل می کنند. در تخلیه، آند به اکسیداسیون یا از دست دادن الکترون ها می افتد و کاتد کاهش یا افزایش الکترون را می بیند. شارژ این حرکت را تغییر می دهد.

تمام مواد در یک باتری دارای انرژی خاص نظری هستند و کلید تطبیق با ظرفیت بالا و قدرت فوق العاده بالا در کاتد قرار دارد . برای 10 سال گذشته یا بیشتر، کاتد باتری لیتیوم یون را مشخص کرده است. مواد کاتدی معمولی عبارتند از: لیتیم کبالت اکسید (یا لیتیم کبالت)، اکسید منگنز لیتیم (همچنین به عنوان اسپینل یا منیتیت لیتیوم شناخته می شود)، فسفات آهن لیتیم، و همچنین کبالت منگنز لیتیم نیکل (یا NMC) ** و لیتیم نیکل کبالت اکسید آلومینیوم یا NCA).

باتری لیتیوم یون سونی با استفاده از کک به عنوان آند (محصول ذغال سنگ)، و از سال 1997 بیشتر باتری های لیتیوم یون با استفاده از گرافیت برای رسیدن به یک منحنی ترانزیستور. تحولات نیز بر روی آند رخ می دهد و چندین افزودنی مورد آزمایش قرار می گیرد، از جمله آلیاژهای مبتنی بر سیلیکون. سیلیکون 20 تا 30 درصد افزایش انرژی خاص را در هزینه های جریان پایین تر و کاهش عمر چرخه ایجاد می کند. لیتیوم تیتانیان نانو ساختار یافته به عنوان افزودنی آند نشان دهنده چرخه حیاتی، قابلیت بارگذاری خوب، عملکرد عالی دمای پایین و ایمنی برتر است، اما انرژی خاصی کم است.

مخلوط کردن مواد کاتد و آند به تولیدکنندگان اجازه می دهد تا کیفیت های ذاتی را تقویت کنند؛ با این حال، یک پیشرفت در یک منطقه ممکن است چیز دیگری را به خطر بیندازد. برای مثال، سازندگان باتری می توانند انرژی خاص (ظرفیت) را برای مدت زمان طولانی بهینه سازی کنند، قدرت خاصی برای بارگذاری فعلی را افزایش دهند، عمر مفید را برای عمر طولانی تر افزایش دهند، و ایمنی را برای مواجهه با محیط زیست شدید افزایش دهند، اما بازده در ظرفیت بالاتر بارگیری می شود ؛ بهینه سازی برای دست زدن به جریان بالا باعث کاهش انرژی خاص و ساختن یک سلول ناهموار برای عمر طولانی و بهبود ایمنی باتری را افزایش می دهد و به دلیل جدا شدن ضخامت بیشتر هزینه می شود. گفته می شود که جداسازی گران ترین قسمت باتری است.

جدول 2 مشخصات لیتیوم یون با مواد کاتدی مختلف را خلاصه می کند. جدول مواد شیمیایی را به چهار سیستم لیتیوم یونی که اغلب استفاده می شوند محدود می کند و فرم کوتاه آنها را توصیف می کند. NMC مخلوط نیکل-منگنز-کبالت، شیمیایی است که نسبتا جدید است و می تواند برای ظرفیت بالا یا بارگذاری فعلی بالا طراحی شود. لیتیوم یون پلیمر ذکر نشده است زیرا این یک شیمی منحصر به فرد نیست و تنها در ساخت و ساز متفاوت است. لیمو پلیمر را می توان در مواد شیمیایی مختلف تولید کرد و فرمت رایج ترین لیت کبالت است.
مشخصاتLi-cobaltLi-manganeseLi-phosphateNMC 1Voltage3.60V3.70V3.30V3.60 / 3.70VCharge limit4.20V4.20V3.60V4.20VCycle life 2500500-1،0001،000-2،0001،000-2،000 دمای عملیاتی آلیاژ آبی تولید انرژی خالص خاصی 150-190Wh / کیلوگرم 100-135Wh / kg90-120Wh / kg40Wh / kg قدرت ویژه C10C، 40C پالس 35C پیوسته 10CSafetyAverage. نیاز به حفاظت از مدار و متعادل کردن سلول چند بسته سلولی. مورد نیاز برای فرمت های کوچک با 1 یا 2 سلول می تواند آرامش بسیار خوب است، نیاز به سلول متعادل و V protectionGood، نیاز به حفظ سلول balancingand ولتاژ 3150 درجه سانتی گراد (302 درجه فارنهایت) 250 درجه سانتی گراد (482 درجه فارنهایت) 270 درجه سانتی گراد (518 درجه فارنهایت ) 210 ° C (410 درجه فارنهایت) مواد CostRaw highMaterial 30٪ کمتر از کبالت HighHighIn از سال 1994 استفاده کنید. تحقیق، تولید کنندگان سونی، Sanyo، FDK، SaftNEC، سامسونگ، HitachiUT، QH، MIT A123، ValenceSony، Sanyo، Nissan MotorNotesVery انرژی خاص خاص، قدرت محدود؛ برای تلفن های همراه، لپ تاپ ها قدرت بالا، به طور متوسط ​​به انرژی خاص خاص، ابزار قدرت، پزشکی، EVsHigh قدرت، انرژی خاص به طور متوسط، خود را بالاتر از سایر Li-ionVery انرژی بالا، قدرت بالا؛ ابزار، پزشکی، EVs
جدول 2: مشخصات چهار باتری لیتیوم یونی که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند
انرژی خاص به ظرفیت (ذخیره انرژی) اشاره دارد؛ قدرت خاص نشان دهنده توان بار است.
1NMC، NCM، CMN، CNM، MNC و MCN اساسا یکسان هستند. استوکیومتری معمولا لی (Ni (1/3) Co (1/3) Mn (1/3)] O2 است. منظور از Ni، Mn و Co بسیار مهم نیست. کاربرد و محیط زندگی چرخه؛ اعداد همیشه به طور صحیح اعمال نمی شوند. 3. باطری کاملا شارژ درجه حرارت فرار را افزایش می دهد، شارژ جزئی آن را کاهش می دهد.

* استاندارد یک سلول لیتیم استوانه ای که در اواسط دهه 1990 توسعه یافت؛ ابعاد 18 میلی متر در ابعاد و ابعاد 65 میلیمتر؛ معمولا برای لپ تاپ ها استفاده می شود.

** برخی از سیستم های اکسید کبالت منگنز نیکل منگنز با تعیین NCM، CMN، CNM، MNC و MCN قرار می گیرند. سیستم ها اساسا یکسان هستند.