Was sind die Eigenschaften von Lithium--Ionen-Batterien?
Kapazität und elektromotorische Kraft von Lithium--Ionen-Batteriematerialien
Während der Lade-{0}}Entladereaktion von Lithium---Ionenbatterien durchlaufen nur die aktiven Materialien der positiven und negativen Elektroden Lithium--Ionen-Interkalations-/Deinterkalationsreaktionen, während der Elektrolyt und andere Materialien nicht verbraucht werden. Daher bestimmt das Potenzial, bei dem die positiven und negativen Elektrodenmaterialien Lithiumionen reversibel interkalieren/deinterkalieren, die Leerlaufspannung der Batterie, und die Menge der interkalierenden/deinterkalierten Lithiumionen bestimmt die Kapazität des aktiven Materials. Viele globale Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien und Lieferanten von Lithium-Ionen-Batterien verlassen sich auf diese Materialeigenschaften, um eine stabile Massenproduktion und eine konstante Produktleistung zu erreichen.
Für die negative Elektrode läuft die Reaktion gemäß Gleichung (1.2) ab. Pro Mol Kohlenstoff (12g) können maximal 1/6 Mol Lithiumionen eingelagert werden. Daher beträgt die theoretische spezifische Kapazität des negativen Kohlenstoffelektrodenmaterials
1/6(mol)×96485(Faraday-Konstante,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
Im täglichen Gebrauch liegt die tatsächlich erreichbare spezifische Kapazität von Kohlenstoffmaterialien unter Berücksichtigung des Lithiumverlusts aufgrund der Adsorption und der Bildung des Festelektrolyt-Interphasenfilms (SEI) bei 300–345 mAh/g. Führende Anbieter von Lithium-{3}Ionen-Batteriepacks erreichen dieses Niveau durch optimierte Graphitformulierung und präzise Beschichtungsprozesse.
Die Kapazität des positiven Elektrodenmaterials hängt von der Menge der Lithiumionen ab, die extrahiert/eingefügt werden können. Am Beispiel von LiCoO₂ können bis zu 1 Mol Lithiumionen pro Mol LiCoO₂ an der Reaktion beteiligt sein. Daher beträgt die theoretische spezifische Kapazität von LiCoO₂ (relative Molekularmasse 97,86).
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
Um die Kristallstabilität des LiCoO₂-Materials aufrechtzuerhalten, nehmen in der Praxis im Allgemeinen nur 30–60 % der Lithiumionen an der Reaktion teil. Daher beträgt die tatsächliche spezifische Kapazität des LiCoO₂-Materials 137–164 mAh/g. Große OEM-Hersteller von Lithium-Ionen-Batterien steuern die Lade- und Entladetiefe durch fortschrittliches BMS, um die Lebensdauer zu maximieren und gleichzeitig die Sicherheit zu gewährleisten.
Bei Lithiumeisenphosphat kann 1 Mol Lithiumionen pro Mol Lithiumeisenphosphat vollständig an der Reaktion teilnehmen. Daher beträgt die theoretische und tatsächliche spezifische Kapazität von Lithiumeisenphosphatmaterial (relative Molekularmasse 157,8).
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
In der Natur ist das Standard-Redoxpotential von Li/Li⁺ am niedrigsten und erreicht -3,04 V (im Vergleich zur Standard-Wasserstoffelektrode). Bei negativen Kohlenstoffelektrodenmaterialien liegt das Potenzial der Lithiumionenextraktion und -insertion nahe dem Li/Li⁺-Gleichgewichtspotenzial. Nach der elektrochemischen Theorie beträgt bei Raumtemperatur das Elektrodenpotential E der negativen Kohlenstoffelektrode
E=E Grad + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1,8)
Wo
E Grad - Standardelektrodenpotential;
C(Li⁺) - Konzentration von Lithiumionen in der Elektrolytlösung;
C(Li,C₆) --Konzentration von Lithiumionen im Kohlenstoff der negativen Elektrode.
Wenn die Lithiumionenkonzentration in der Lösung und im Kohlenstoff der negativen Elektrode nahe beieinander liegen, entspricht das Elektrodenpotential der negativen Elektrode dem Standardreduktionspotential E Grad. Im Allgemeinen ist die Lithiumionenkonzentration im Elektrolyten festgelegt, sodass Änderungen der Lithiumionenkonzentration im Kohlenstoff der negativen Elektrode zu Änderungen des negativen Elektrodenpotentials führen. Derzeit gibt es keine universelle Methode zur Berechnung des genauen Gleichgewichtspotentials von Li/C₆ bei variierenden x-Werten. Sie wird im Allgemeinen experimentell bestimmt. Experimente zeigen, dass das Delithiierungspotential von Materialien auf Graphit--Basis im Allgemeinen zwischen 0–0,4 V (gegenüber Li/Li⁺) variiert, was sie zu relativ geeigneten negativen Elektrodenmaterialien für Anwendungen macht. Abbildung 1.2 zeigt die typische Lade-{10}}Entladekennlinie einer negativen Graphitelektrode.
Für das positive Elektrodenmaterial LiCoO₂ ist der Lithium-Interkalations-/Deinterkalationsprozess eine einphasige Reaktion. Wenn sich die Lithiumionenkonzentration im Material der positiven Elektrode ändert, ändert sich auch das Potenzial der positiven Elektrode. Wenn man davon ausgeht, dass die Lithiumionenkonzentration im Elektrolyten 1 mol/L beträgt, beträgt für die Reaktion in Gleichung (1.1) das positive Elektrodenpotential E
E=E Grad + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
Wo
E Grad - Standardelektrodenpotential;
C(LiCoO₂) - Konzentration von LiCoO₂ im positiven Elektrodenmaterial;
C(Li⁺,CoO₂) - Konzentration von Li⁺ und CoO₂ im positiven Elektrodenmaterial;
Während Lithiumionen extrahiert werden, zeigt das positive Elektrodenpotential einen Abwärtstrend.
Der Lade-{0}}Entladeprozess von Lithiumeisenphosphatmaterial ist die Umwandlung von Lithiumeisenphosphat in Eisenphosphat nach der Delithiierung.
Die Reaktion an der Lithium-Eisenphosphat-Elektrode ist
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Sein Lithium--Ionen-Interkalations-/Deinterkalationsprozess ist eine Zwei{1}}Phasenreaktion. Daher haben Änderungen der Lithiumionenkonzentration im Material der positiven Elektrode keinen Einfluss auf die Potentialänderung der positiven Elektrode. Sein Gleichgewichtspotential ist
E=E Grad + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
Die Konzentration reiner Feststoffe beträgt 1. Basierend auf seinen thermodynamischen Parametern beträgt das theoretische Gleichgewichtspotential 3,4 V.
Die typische Lade-{0}}Entladekennlinie von Lithiumeisenphosphatmaterial ist in Abbildung 1.3 dargestellt.
Leistungsmerkmale von Lithium--Ionenbatterien
Im Vergleich zu anderen Batterien weisen Lithium-Ionen-Batterien die folgenden Eigenschaften auf, die von Händlern und Industriekunden von Lithium-Ionen-Batterien weithin anerkannt werden:
Hohe Energiedichte.Die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien erreicht 100 W·h/kg und 200 W·h/L oder mehr. Aktuelle ternäre Kathoden-Lithium-Ionen-Batterien haben eine massenspezifische Energie von 200 W·h/kg erreicht. Bei Verwendung von Anodenmaterialien mit hohem -Nickel-Siliziumgehalt- und Lithium-{9}reichen Kathodenmaterialien wird erwartet, dass die massenspezifische Energie 400 W·h/kg und die volumetrische Energiedichte 900 W·h/L erreicht und damit weit über den Wert herkömmlicher Batterien liegt. Daher werden Lithium--Ionenbatterien häufig in tragbaren elektronischen Produkten und Elektrofahrzeugen verwendet.
Hohe Leerlaufspannung-.Aufgrund der Verwendung nicht-wässriger organischer Lösungsmittel erreicht die Einzelzellenspannung 3,6–3,8 V, was dem 2–3-fachen der Spannung von Nickel-Metallhydrid- oder Nickel-Cadmiumbatterien entspricht. Durch den effektiven Einsatz von Hochspannungs-Kathodenmaterialien kann die Betriebsspannung einer einzelnen Zelle auf 4,5–5 V erhöht werden, was einer der wichtigen Gründe für die hohe Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien ist.
Kann mit hoher -Lade- und Entladerate geladen werden.Beispielsweise können alle -Feststoff--Lithium--Ionenbatterien, die Polymerelektrolyte verwenden, mit guter Sicherheit Entladeraten über 10 °C erreichen; Lithium--Ionenbatterien mit Lithiumeisenphosphat als Kathode können eine Entladung von 100 °C erreichen.
Geringe Selbstentladungsrate.Bei Raumtemperatur beträgt die monatliche Selbstentladungsrate von Lithium--Ionenbatterien im Allgemeinen weniger als 10 %, niedriger als bei Nickel-Metallhydridbatterien (15 %) und halb so hoch wie bei Nickel-Cadmiumbatterien. Die Selbstentladungsrate von Lithium-Eisenphosphat-Batterien beträgt im Allgemeinen weniger als 3 %.
Umweltfreundlich,enthält kein Blei, Cadmium, Quecksilber oder andere Schadstoffe und belastet die Umwelt nicht.
Kein Memory-Effekt.Unter Memory-Effekt versteht man das Phänomen, dass die Akkukapazität abnimmt, wenn der Akku aufgeladen wird, bevor er vollständig entladen ist, oder wenn er verwendet wird, bevor er vollständig aufgeladen ist (Memory-Effekt ist kein Kapazitätsabfall). Lithium-Ionenbatterien haben keinen Memory-Effekt.
Gute Sicherheit.Lithium--Ionenbatterien verwenden im Allgemeinen Kohlenstoffmaterialien als negative Elektrode, deren Elektrodenpotential nahe dem von metallischem Lithium liegt. Lithiumionen können reversibel in Kohlenstoff interkalieren und deinterkalieren, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Lithiummetallablagerung erheblich verringert und die Batteriesicherheit erheblich verbessert wird. In den letzten Jahren haben flammhemmende Additive, flammhemmende Separatoren, PTC-Geräte (positiver Temperaturkoeffizient), explosionssichere Ventile, Batteriemanagementsysteme und andere Technologien für eine extrem hohe Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien gesorgt.
Lange Lebensdauer.Die Zyklenlebensdauer von Lithium--Ionen-Batterien beträgt im Allgemeinen mehr als 500 Zyklen. Die Zyklenlebensdauer von Lithium-Eisenphosphat-Batterien beträgt im Allgemeinen 2000–3000 Zyklen. In Kombination mit Anodenmaterialsystemen mit hoher Zyklenfähigkeit (z. B. Lithiumtitanat) können mehr als 10.000 Zyklen erreicht werden. Dies macht Lithium-Eisenphosphat-Batterien zur besten Wahl für Energiespeicherbatteriesysteme und große ESS-Projekte.
