Panimula sa Lithium-ion Baterya
Prinsipyo ng Paggana ng mga Lithium-ion na Baterya
Ang lithium-ion na baterya ay pangunahing binubuo ng isang positibong electrode, isang negatibong electrode, isang electrolyte na nagsasagawa ng mga lithium ions, at isangseparatorat pambalot na naghihiwalay sa positibo at negatibong mga electrodes. Ang positibong electrode material ay karaniwang isang compound na nagbibigay-daan para sa reversible insertion at extraction ng mga lithium ions, tulad ng lithium cobalt oxide (LiCoO₂), lithium nickel oxide (LiNiO₂), lithium manganese oxide (LiMn₂O₄), o ternary materials (LiCoₓNiᵧMn₁₋₋). Binubuo ang electrolyte ng mga lithium salt (kabilang sa mga karaniwang lithium salt ang LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB, atbp.) na natunaw sa isang partikular na solvent (pangunahing pinaghalong ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), propylene, carbonate (PC), atbp. Ang separator material ay karaniwang polyolefin resin, karaniwang gumagamit ng single-layer o multi-layer polypropylene (PP) at polyethylene (PE) microporous membranes, gaya ng Celgard 2300 separator. Ang negatibong electrode ay karaniwang gumagamit ng mga materyales na may kakayahang lithium intercalation, tulad ng petrolyo coke, purong grapayt, at layered graphite mixed carbon. Ang reaksyon sa lithium-ion na baterya na gumagamit ng carbon (C₆) bilang negatibong electrode at transition metal oxide LiMeO₂ bilang positibong electrode ay ang mga sumusunod.
Habang nagcha-charge:
Sa panahon ng paglabas:
Habang nagcha-charge, ang mga lithium ions ay inilalabas mula sa positibong elektrod at ipinasok sa negatibong elektrod; sa panahon ng pagdiskarga, ang mga lithium ions ay inilabas mula sa negatibong elektrod at ipinasok sa positibong elektrod. Sa madaling salita, sa panahon ng pagcha-charge at pagdiskarga, ang mga lithium ions ay pabalik-balik sa pagitan ng mga positibo at negatibong electrodes, katulad ng isang tumba-tumba. Samakatuwid, ang mga lithium-ion na baterya ay tinatawag ding "rocking chair batteries." Ang kanilang prinsipyo sa pagtatrabaho ay maaaring ilarawan ng Figure 1.1.
Sa ilalim ng normal na mga kondisyon ng pag-charge at discharge, ang pagpasok at pagkuha ng mga lithium ions sa pagitan ng mga layered carbon na materyales at mga particle ng oxide o sa pagitan ng mga layer sa lithium-ion na mga baterya sa pangkalahatan ay nagdudulot lamang ng mga pagbabago sa interlayer spacing at hindi nakakasira sa crystal structure. Sa panahon ng pagsingil at paglabas, ang mga kemikal na istruktura ng positibo at negatibong mga materyales ng elektrod ay nananatiling hindi nagbabago. Samakatuwid, mula sa pananaw ng reversibility ng charge-discharge reaction, ang pagpasok at pagkuha ng mga lithium ions sa mga materyales ng baterya ay isang perpektong proseso ng reaksyon. Batay sa mga katangiang ito, ang mga baterya ng lithium-ion ay mas mataas sa pagganap kaysa sa mga baterya ng nickel-cadmium at-metal hydride.
Pag-uuri ng baterya ng Lithium-ion
Maaaring uriin ang mga bateryang Lithium-alinsunod sa materyal na cathode na ginamit, hitsura at laki, paraan ng paggawa ng cell, uri ng packaging, at mga katangian ng aplikasyon.
Batay sa materyal na cathode na ginamit, ang mga baterya ng lithium-ion ay maaaring hatiin sa mga baterya ng lithium cobalt oxide, mga baterya ng lithium manganese oxide, mga baterya ng ternary lithium, at mga baterya ng lithium iron phosphate.
Ang mga baterya ng Lithium cobalt oxide ay may nominal na boltahe na 3.7V at isang operating voltage range na 2.4~4.2V. Ang mga bateryang Lithium cobalt oxide ay may matatag na istraktura, mataas na partikular na kapasidad, at namumukod-tanging pangkalahatang pagganap, ngunit ang kanilang kaligtasan ay hindi maganda at ang kanilang gastos ay mataas, na pangunahing ginagamit sa maliliit at katamtamang laki ng-mga cell. Sa mga nakalipas na taon, ang mataas na-boltahe na lithium cobalt oxide na mga materyales ay binuo, na maaaring tumaas ang pinakamataas na limitasyon ng boltahe ng baterya sa 4.3V o 4.35V, sa gayon ay epektibong nagpapabuti sa kapasidad ng baterya at density ng enerhiya. Sa kasalukuyan, ang mga baterya ng lithium cobalt oxide ay may pinakamataas na volumetric energy density, na umaabot sa 550Wh/kg, na ginagawang tanging pagpipilian ang mga ito para sa pagpapagana ng mga high{11}}mobile phone at iba pang electronic na produkto.
Ang mga baterya ng Lithium manganese oxide (MMANO) ay may nominal na boltahe na 3.8V at isang operating voltage range na 2.5V hanggang 4.2V. Ang boltahe ng proteksyon sa sobrang singil ay 4.28V ± 0.025V, at ang boltahe sa proteksyon ng overcharge ay 2.5V ± 0.1V. Ang mga baterya ng MMANO ay mura-at may mahusay na kaligtasan. Gayunpaman, ang materyal na lithium manganese oxide mismo ay medyo hindi matatag at madaling mabulok, na gumagawa ng gas at pamamaga. Ang cycle ng buhay nito ay medyo mabilis na nabubulok, ang buhay nito ay medyo maikli, at ang mataas na{13}}temperatura na pagganap nito ay hindi maganda. Pangunahing ginagamit ito sa mababang-gastos, katamtaman-hanggang-malalaking-mga cell para sa paggawa ng mga power na baterya.
Ang mga Ternary lithium-ion (TLC) na baterya ay may nominal na boltahe na 3.6V at isang operating voltage range na 2.75V hanggang 4.2V. Ang overcharge na boltahe ng proteksyon ay 4.28V ± 0.025V, at ang over-boltahe ng proteksyon sa paglabas ay 2.75V ± 0.1V. Ang mga baterya ng TLC ay may mahusay na pangkalahatang pagganap, ay mas mura kaysa sa lithium cobalt oxide (LCO), at nag-aalok ng pinabuting kaligtasan. Maaari silang magamit sa mga baterya ng kuryente, at ang kanilang bahagi sa merkado sa merkado ng materyal na cathode ay tumataas taon-taon. Ang maliliit na lithium-ion na baterya na gumagamit ng ternary lithium-ion na materyales ay unti-unting tinatanggap ng merkado. Ang mga ternary na materyales ay maaari ding ihalo sa lithium cobalt oxide at lithium manganese oxide para gamitin sa steel-cased, aluminum-cased, pouch, polymer, at cylindrical lithium-ion na mga baterya, na maaaring makabuluhang bawasan ang mga gastos sa baterya at mapabuti ang pangkalahatang pagganap. Sa kasalukuyan, ang mga ternary material na baterya ay maaaring magkaroon ng energy density na 180 Wh/kg (26650 steel-cased na baterya ay maaaring umabot sa kapasidad na 4600 mAh/kg na may bigat na 90g), na nag-aalok ng malinaw na bentahe sa cost{25}}effectiveness.
Ang mga bateryang Lithium iron phosphate (LFP) ay may nominal na boltahe na 3.2V at isang operating voltage range na 2.5~3.75V. Ang overcharge na boltahe ng proteksyon ay 3.75V±0.025V, at ang over-boltahe ng proteksyon sa paglabas ay 2.5V±0.1V. Ang pinakamalaking bentahe ng mga baterya ng LFP ay ang stability at hindi{10}}decomposition ng positive electrode material, na nagbibigay sa kanila ng walang kapantay na kaligtasan kumpara sa iba pang positive electrode material system. Ang mga baterya ng LFP ay may mahabang cycle ng buhay, sagana sa mga mapagkukunan, at environment friendly. Gayunpaman, mayroon silang mababang discharge platform at mahinang mababang{13}}temperatura na pagganap.
Batay sa hitsura at laki, ang mga lithium-ion na baterya ay maaaring hatiin sa mga cylindrical na baterya at prismatic na baterya, atbp.
Batay sa paraan ng paggawa ng cell, ang mga baterya ng lithium-ion ay maaaring hatiin sa mga sugat na baterya (cylindrical na sugat at flat na sugat), mga stacked na baterya, atbp.
Batay sa uri ng materyal sa packaging, ang mga lithium-ion na baterya ay maaaring hatiin sa bakal-cased na baterya, aluminum-cased na baterya, plastic-cased na baterya, soft-pack na baterya, atbp.
Batay sa mga katangian ng application, ang mga lithium-ion na baterya ay maaaring hatiin sa mataas na-temperatura na baterya, mababang-temperatura na baterya, power na baterya, at kapasidad na baterya, atbp.
Batay sa kanilang mga lugar ng aplikasyon, ang mga lithium-ion na baterya ay maaaring uriin bilang: mga backup na baterya, mga power na baterya, at mga baterya na nag-iimbak ng enerhiya.
Mga Application ng Lithium-ion na Baterya
Masasabing mula nang maimbento ang baterya, walang ibang produkto ng baterya ang nagamit nang kasing bilis at kalawak ng lithium-ion na baterya. Mula sa supply ng kuryente ng orasan para sa mga computer CPU hanggang sa malalaking lithium-ion na baterya pack na ginagamit sa mga sasakyan at submarino, ang pagkakaiba sa kapasidad ay higit sa 10 milyong beses. Ang mga ito ay may malawak na aplikasyon sa pang-araw-araw na buhay, kagamitang medikal, mga de-koryenteng sasakyan, mga istasyon ng kuryente sa pag-iimbak ng enerhiya, aerospace, at militar.
Pagkatapos ng higit sa 10 taon ng pagpapasikat, ang lithium-ion na mga baterya ay naging nag-iisang power system na malawakang ginagamit sa mga digital na produkto gaya ng mga mobile phone at laptop. Dahil sa kanilang mataas na partikular na enerhiya, malawak din itong ginagamit sa mga power tool, electric bicycle, electric bus, wind at solar energy storage power station, mobile communication base station, mining lamp power supply, mining rescue capsule power supply, military individual soldier power supply, radyo, satellite battery, at marami pang ibang application. Ayon sa istatistika, noong 2011, ang laki ng merkado ng industriya ng baterya ng lithium ng China ay umabot sa 39.7 bilyong yuan, isang taon-sa-taon na pagtaas ng 43%, at ang taunang output ng mga bateryang lithium ay umabot sa 2.97 bilyong yunit, isang taon-sa-taon na pagtaas ng 28.6%. Ang industriya ng baterya ng lithium ay naging isang mahalagang direksyong pang-industriya ng pambansang ekonomiya²¹.
