Zeintzuk dira litio-ioizko baterien ezaugarriak?
Litio-ioizko bateriaren materialen edukiera eta indar elektroeragilea
Litio-ioizko baterien karga-deskarga-erreakzioan, elektrodo positiboen eta negatiboen material aktiboek soilik jasaten dituzte litio-ioiaren arteko elkarrekiko/desinterkalazio-erreakzioak, elektrolitoa eta beste material batzuk kontsumitzen ez diren bitartean. Hori dela eta, elektrodo positiboen eta negatiboen materialak modu itzulgarri batean interkalatzen/desinterkalatzen dituen potentzialak zehazten du bateriaren zirkuitu irekiko -tentsioa, eta litio ioiek elkarrekiko/desinterkalatzen duten kopuruak material aktiboaren ahalmena zehazten du. Mundu mailako litio--ioizko bateria-fabrikatzaile eta litio--ioizko bateria-hornitzaile askok materialaren ezaugarri hauetan oinarritzen dira ekoizpen masibo egonkorra eta produktuaren errendimendu koherentea lortzeko.
Elektrodo negatiborako, erreakzioa (1.2) ekuazioaren arabera gertatzen da. Karbono mol bakoitzeko (12g), gehienez 1/6 mol litio ioi tartekatu daitezke. Hori dela eta, karbonozko elektrodo negatiboko materialaren gaitasun espezifikoa da
1/6(mol)×96485(Faraday konstantea,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
Eguneroko erabileran, adsortzioaren eta elektrolito solidoen interfasearen (SEI) filmaren eraketaren ondorioz litio-galera kontuan hartuta, karbono-materialen benetako ahalmen espezifikoa 300-345 mA·h/g da. Litio-ioizko bateria-hornitzaile nagusiek maila hori lortzen dute grafitoaren formulazio optimizatuaren eta estaldura-prozesu zehatzen bidez.
Elektrodo positiboko materialarentzat, bere ahalmena atera/sartu daitekeen litio-ioi kopuruaren araberakoa da. LiCoO₂ adibide gisa hartuta, LiCoO₂ mol bakoitzeko litio ioi 1 gehienez parte har dezakete erreakzioan. Beraz, LiCoO₂-ren gaitasun espezifiko teorikoa (masa molekular erlatiboa 97,86) da.
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
Praktikan, LiCoO₂ materialaren kristal-egonkortasuna mantentzeko, oro har, litio ioien % 30-% 60k baino ez du parte hartzen erreakzioan. Beraz, LiCoO₂ materialaren benetako ahalmen espezifikoa 137-164 mA·h/g da. Litio-oizko bateria OEM fabrikatzaile nagusiek karga eta deskargaren sakontasuna kontrolatzen dute BMS aurreratuen bidez, zikloaren bizitza maximizatzeko segurtasuna bermatuz.
Litio burdin fosfatorako, litio ioi mol bakoitzeko 1 litio burdin fosfato mol bakoitzeko erreakzioan guztiz parte har dezake. Hori dela eta, litio burdin fosfatoaren materialaren gaitasun espezifiko teorikoa eta erreala (masa molekular erlatiboa 157,8) da.
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
Naturan, Li/Li⁺-ren redox potentzial estandarra baxuena da, -3,04 V-koa (hidrogeno-elektrodo estandarraren aurrean). Karbonozko elektrodo negatiboko materialen kasuan, litio-ioiaren erauzketa eta txertatzeko potentziala Li/Li⁺ oreka potentzialetik gertu dago. Teoria elektrokimikoaren arabera, giro-tenperaturan, karbono-elektrodo negatiboaren elektrodo-potentziala E da
E=E gradua + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
non
E graduko - elektrodo potentzial estandarra;
C(Li⁺) - litio ioien kontzentrazioa elektrolito-disoluzioan;
C(Li,C₆) - litio ioien kontzentrazioa elektrodo negatiboaren karbonoan.
Litio ioiaren kontzentrazioa disoluzioan eta elektrodo negatiboan karbonoan hurbil daudenean, elektrodo negatiboaren elektrodo potentziala E graduko murrizketa potentzial estandarra berdina da. Orokorrean, elektrolitoan litio ioiaren kontzentrazioa finkoa da, beraz, elektrodo negatiboaren karbonoan litio ioiaren kontzentrazioan aldaketak elektrodo potentzial negatiboan aldaketak eragingo ditu. Gaur egun ez dago Li/C₆-ren oreka potentzial zehatza kalkulatzeko metodo unibertsala x balio ezberdinekin. Orokorrean esperimentalki zehazten da. Esperimentuek erakusten dute grafito-oinarritutako materialen delitiazio-potentziala, oro har, 0-0,4 V artean aldatzen dela (Li/Li⁺ alderatuta), eta elektrodo negatiboen material nahiko egokiak dira aplikazioetarako. 1.2 irudiak grafitozko elektrodo negatibo baten karga-{10}}deskarga-kurba tipikoa erakusten du.
LiCoO₂ elektrodo positiboko materialarentzat, litioaren arteko interkalazio/desinterkalazio prozesua-fase bakarreko erreakzio bat da. Elektrodo positiboaren materialaren litio ioiaren kontzentrazioa aldatzen den heinean, elektrodo positiboaren potentziala ere aldatzen da. Elektrolitoan litio ioiaren kontzentrazioa 1 mol/L dela kontuan hartuta, (1.1) ekuazioko erreakziorako, E elektrodoaren potentziala positiboa da.
E=E gradua + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1,9)
non
E graduko - elektrodo potentzial estandarra;
C(LiCoO₂) - LiCoO₂-ren kontzentrazioa elektrodo positiboaren materialan;
C(Li⁺,CoO₂) - Li⁺ eta CoO₂-ren kontzentrazioa elektrodo positiboaren materialan;
Litio ioiak ateratzen diren heinean, elektrodoaren potentzial positiboak beheranzko joera erakusten du.
Litio-burdin fosfatoaren materialaren karga-deskarga-prozesua litio-burdin-fosfatotik burdina-fosfatora bihurtzea da, delitiatu ondoren.
Litio-burdin fosfatoaren elektrodoaren erreakzioa da
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1,10)
Bere litio-ioi arteko interkalazio/desinterkalazio prozesua bi-faseko erreakzioa da. Hori dela eta, elektrodo positiboko materialaren litio ioiaren kontzentrazio aldaketek ez dute elektrodo positiboaren aldaketa potentziala eragiten. Bere oreka potentziala da
E=E gradua + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Solido puruen kontzentrazioa 1 da. Bere parametro termodinamikoetan oinarrituta, oreka-potentzial teorikoa 3,4 V-koa da.
Litio-burdin fosfatoaren materialaren karga-{0}}deskarga-kurba tipikoa 1.3 irudian ageri da.
Litio-ioizko baterien errendimendu-ezaugarriak
Beste bateria batzuekin alderatuta, litio-ioizko bateriak ezaugarri hauek dituzte, litio-ioizko bateria banatzaileek eta bezero industrialek oso ezagunak dituztenak:
Energia dentsitate handia.Litio-ioizko baterien energia-dentsitatea 100 W·h/kg eta 200 W·h/L edo gehiagora iristen da. Litio-ioi katodo ternarioko bateriak 200 W·h/kg-ko masa espezifikoko energia lortu dute. -Nikel-silizio-oinarritutako anodoko materialak eta litioko-katodo aberatsak diren materialak erabiliz, masa-energia espezifikoa 400 W·h/kg eta bolumetriko energia-dentsitatea 900 W·h/L izatera iritsiko da, ohiko bateriak askoz gainditzen dituelarik. Hori dela eta, litio-ioizko bateriak asko erabiltzen dira produktu elektroniko eramangarrietan eta ibilgailu elektrikoetan.
Zirkuitu irekiko{0}}tentsio altua.-Urtsu gabeko disolbatzaile organikoen erabilera dela eta,-zelula bakarreko tentsioa 3,6-3,8 V-ra iristen da, hau da, nikel-metal hidruroa edo nikel-kadmio pilen 2-3 aldiz. -Tentsio handiko katodoko materialak eraginkortasunez erabiltzeak zelula bakar baten funtzionamendu-tentsioa 4,5-5 V-era igo dezake, hori da litio-ioizko baterien energia-dentsitate handiaren arrazoi garrantzitsuetako bat.
-tasa altuak kargatzeko eta deskargatzeko gai da.Adibidez, polimero-elektrolitoak erabiltzen dituzten-solido-egoera litio-ioizko-pila guztiek 10C-tik gorako deskarga-tasa lor dezakete segurtasun onarekin; litio-ioizko bateriak litio-burdin fosfatoa erabiliz katodo gisa 100C-ko deskarga lor dezakete.
Auto{0}}deskarga-tasa baxua.Giro-tenperaturan, litio-ioi-hileroko baterien hileroko auto-deskarga-tasa % 10 baino txikiagoa da, nikel-metal hidruro baterien (% 15) eta nikel-kadmioaren erdia baino txikiagoa. Litio-burdin fosfatoko baterien auto-deskarga-tasa, oro har, % 3 baino txikiagoa da.
Ingurumena errespetatzen duena,beruna, kadmioa, merkurioa edo bestelako substantzia kaltegarririk ez duena, eta ez du ingurumena kutsatzen.
Ez dago memoria efekturik.Memoria-efektua guztiz deskargatu baino lehen kargatzen denean edo guztiz kargatu baino lehen kargatzen denean bateriaren gaitasuna murrizten den fenomenoari deritzo (memoria-efektua ez da ahalmenaren gainbehera). Litio-ioizko bateriak ez dute memoria efekturik.
Segurtasun ona.Litio-ioizko bateriek, oro har, karbonozko materialak erabiltzen dituzte elektrodo negatibo gisa, litio metalikoarenaren hurbileko elektrodo potentziala du. Litio ioiak karbonoan modu itzulgarri batean interkalatu eta desinterkalatu ditzakete, litio metalikoaren jalkitze probabilitatea asko murriztuz eta bateriaren segurtasuna nabarmen hobetuz. Azken urteotan, suaren-gehigarriek, suaren-bereizleek, PTC (tenperatura-koefiziente positiboa) gailuek, leherketen-balbulek, bateriak kudeatzeko sistemak eta beste teknologiek litio-ioizko baterien segurtasun oso handia bermatu dute.
Bizitza ziklo luzea.Litio-ioizko baterien ziklo-bizitza, oro har, 500 ziklo baino gehiagokoa da. Litio-burdin fosfato baterien ziklo-bizitza, oro har, 2000-3000 ziklokoa da. Ziklo-gaitasun handiko anodo materialen sistemekin (adibidez, litio titanatoa adibidez), 10.000 ziklo baino gehiago lor daitezke. Horri esker, litio-burdina fosfatoko bateriak aukerarik onena dira energia biltegiratzeko bateria-sistemetarako eta-eskala handiko ESS proiektuetarako.
