Quais são as características das baterias de{0}íon de lítio?
Capacidade e força eletromotriz de materiais de baterias de íons de lítio-
Durante a reação de carga-de descarga das baterias de-íon de lítio, apenas os materiais ativos dos eletrodos positivos e negativos sofrem reações de intercalação/desintercalação de-íons de lítio, enquanto o eletrólito e outros materiais não são consumidos. Portanto, o potencial no qual os materiais do eletrodo positivo e negativo intercalam/desintercalam reversivelmente os íons de lítio determina a tensão do circuito aberto-da bateria, e a quantidade de íons de lítio intercalando/desintercalando determina a capacidade do material ativo. Muitos fabricantes globais de baterias de íon-lítio e fornecedores de baterias-de íons de lítio confiam nessas características do material para alcançar uma produção em massa estável e um desempenho consistente do produto.
Para o eletrodo negativo, a reação ocorre conforme a Equação (1.2). Por mol de carbono (12g), um máximo de 1/6 mol de íons de lítio pode ser intercalado. Portanto, a capacidade específica teórica do material do eletrodo negativo de carbono é
1/6(mol)×96485(Constante de Faraday,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
No uso diário, considerando a perda de lítio devido à adsorção e à formação do filme de interfase de eletrólito sólido (SEI), a capacidade específica real alcançável dos materiais de carbono é de 300–345 mAh/g. Os principais fornecedores de baterias de íons de lítio alcançam esse nível por meio de formulação otimizada de grafite e processos de revestimento precisos.
Para o material do eletrodo positivo, sua capacidade depende da quantidade de íons de lítio que podem ser extraídos/inseridos. Tomando LiCoO₂ como exemplo, até 1 mol de íons de lítio por mol de LiCoO₂ pode participar da reação. Portanto, a capacidade específica teórica do LiCoO₂ (massa molecular relativa 97,86) é
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
Na prática, para manter a estabilidade cristalina do material LiCoO₂, geralmente apenas 30% a 60% dos íons de lítio participam da reação. Portanto, a capacidade específica real do material LiCoO₂ é de 137–164 mAh/g. Os principais fabricantes OEM de baterias de íons de lítio controlam a profundidade de carga e descarga por meio de BMS avançado para maximizar o ciclo de vida e, ao mesmo tempo, garantir a segurança.
Para o fosfato de ferro-lítio, 1 mol de íons de lítio por mol de fosfato de ferro-lítio pode participar totalmente da reação. Portanto, a capacidade específica teórica e real do material de fosfato de ferro-lítio (massa molecular relativa 157,8) é
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
Na natureza, o potencial redox padrão de Li/Li⁺ é o mais baixo, atingindo -3,04 V (vs. eletrodo de hidrogênio padrão). Para materiais de eletrodos negativos de carbono, o potencial de extração e inserção de íons de lítio está próximo do potencial de equilíbrio Li/Li⁺. De acordo com a teoria eletroquímica, à temperatura ambiente, o potencial do eletrodo E do eletrodo negativo de carbono é
E=E grau + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
onde
E grau - potencial padrão do eletrodo;
C(Li⁺) - concentração de íons de lítio na solução eletrolítica;
C(Li,C₆) - concentração de íons de lítio no carbono do eletrodo negativo.
Quando a concentração de íons de lítio na solução e no carbono do eletrodo negativo está próxima, o potencial do eletrodo do eletrodo negativo é igual ao potencial de redução padrão E grau. Geralmente, a concentração de íons de lítio no eletrólito é fixa, portanto, alterações na concentração de íons de lítio no carbono do eletrodo negativo causarão alterações no potencial do eletrodo negativo. Atualmente não existe um método universal para calcular o potencial de equilíbrio preciso de Li/C₆ com valores x variáveis. Geralmente é determinado experimentalmente. Experimentos mostram que o potencial de delitiação de materiais à base de grafite-geralmente varia entre 0–0,4 V (vs. Li/Li⁺), tornando-os materiais de eletrodo negativo relativamente adequados para aplicações. A Figura 1.2 mostra a curva característica típica de carga{10}}descarga de um eletrodo negativo de grafite.
Para material de eletrodo positivo LiCoO₂, o processo de intercalação/desintercalação de lítio é uma reação de-fase única. À medida que a concentração de íons de lítio no material do eletrodo positivo muda, o potencial do eletrodo positivo também muda. Considerando que a concentração de íons de lítio no eletrólito é de 1 mol/L, para a reação da Equação (1.1), o potencial positivo do eletrodo E é
E=E grau + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
onde
E grau - potencial padrão do eletrodo;
C(LiCoO₂) - concentração de LiCoO₂ no material do eletrodo positivo;
C(Li⁺,CoO₂) - concentração de Li⁺ e CoO₂ no material do eletrodo positivo;
À medida que os íons de lítio são extraídos, o potencial positivo do eletrodo mostra uma tendência decrescente.
O processo de descarga-de carga do material de fosfato de ferro-lítio é a conversão de fosfato de ferro-lítio em fosfato de ferro após a delitiação.
A reação no eletrodo de fosfato de ferro-lítio é
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Seu processo de intercalação/desintercalação de íons de lítio é uma reação de duas-fases. Portanto, alterações na concentração de íons de lítio no material do eletrodo positivo não afetam a alteração potencial do eletrodo positivo. Seu potencial de equilíbrio é
E=E grau + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
A concentração de sólidos puros é 1. Com base nos seus parâmetros termodinâmicos, o potencial de equilíbrio teórico é 3,4 V.
A curva característica típica de carga-descarga do material de fosfato de ferro-lítio é mostrada na Figura 1.3.
Características de desempenho de baterias-de íon de lítio
Em comparação com outras baterias, as baterias de íon-de lítio têm as seguintes características que são amplamente reconhecidas por distribuidores de baterias de-íon de lítio e clientes industriais:
Alta densidade de energia.A densidade de energia das baterias de íon-lítio atinge 100 W·h/kg e 200 W·h/L ou mais. As recentes baterias de cátodo ternário de íons de lítio atingiram uma energia específica de massa de 200 W·h/kg. Usando materiais anódicos com alto teor de-níquel-silício-e materiais catódicos ricos em lítio-, a energia específica de massa deverá atingir 400 W·h/kg e a densidade de energia volumétrica 900 W·h/L, excedendo em muito as baterias tradicionais. Portanto, as baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas em produtos eletrônicos portáteis e veículos elétricos.
Tensão de circuito aberto-alta.Devido ao uso de solventes orgânicos não{0}}aquosos, a tensão-de célula única atinge 3,6–3,8 V, o que é 2–3 vezes maior que a das baterias de níquel-hidreto metálico ou níquel-cádmio. A utilização eficaz de materiais catódicos de alta-tensão pode aumentar a tensão operacional de uma única célula para 4,5–5 V, o que é uma das razões importantes para a alta densidade de energia das baterias de-íon de lítio.
Capaz de carregar e descarregar-altas taxas.Por exemplo, todas as baterias de íon-de{1}}lítio{2}}de estado sólido que usam eletrólitos poliméricos podem atingir taxas de descarga acima de 10°C com boa segurança; baterias de íon-de lítio usando fosfato de ferro-lítio como cátodo podem atingir uma descarga de 100C.
Baixa taxa de auto-descarga.Em temperatura ambiente, a taxa mensal de auto-descarga das baterias de-íon de lítio é geralmente inferior a 10%, inferior à das baterias de níquel-hidreto metálico (15%) e metade da das baterias de níquel-cádmio. A taxa de auto-descarga das baterias de fosfato de ferro-lítio é geralmente inferior a 3%.
Ecologicamente correto,não contém chumbo, cádmio, mercúrio ou outras substâncias nocivas e não polui o meio ambiente.
Sem efeito de memória.O efeito memória refere-se ao fenômeno em que a capacidade da bateria diminui quando recarregada antes de ser totalmente descarregada ou usada antes de ser totalmente carregada (efeito memória não é redução de capacidade). As baterias de íon-de lítio não têm efeito memória.
Boa segurança.As baterias de íon-de lítio geralmente usam materiais de carbono como eletrodo negativo, que tem um potencial de eletrodo próximo ao do lítio metálico. Os íons de lítio podem intercalar e desintercalar reversivelmente no carbono, reduzindo bastante a probabilidade de deposição de metal de lítio e melhorando significativamente a segurança da bateria. Nos últimos anos, aditivos-retardadores de chama, separadores{4}}retardadores de chama, dispositivos PTC (coeficiente de temperatura positivo), válvulas-à prova de explosão, sistemas de gerenciamento de bateria e outras tecnologias garantiram segurança extremamente alta de baterias de íon-lítio.
Ciclo de vida longo.O ciclo de vida das baterias de íons de lítio é geralmente superior a 500 ciclos. O ciclo de vida das baterias de fosfato de ferro-lítio é geralmente de 2.000 a 3.000 ciclos. Quando combinado com sistemas de materiais anódicos com alta capacidade de ciclo (como titanato de lítio), mais de 10.000 ciclos podem ser alcançados. Isso torna as baterias de fosfato de ferro-lítio a melhor escolha para sistemas de baterias de armazenamento de energia e projetos ESS de grande-escala.
