Primele lucrări asupra bateriilor cu litiu au început în 1912. G.N. Lewis. Cu toate acestea, bateriile cu litiu au apărut în vânzare doar la începutul anilor 70, dar nu au fost reîncărcabile. În anii '80, munca a continuat cu privire la crearea de baterii, cu toate acestea, fără succes, deoarece Litiul metalic, folosit ca anod, a fost instabil.
Instabilitatea litiului metalic, în special în timpul încărcării, a făcut necesară căutarea materialelor nemetalice în care ionii ar funcționa în locul litiului metalic. În ciuda faptului că tehnologia Li-Ion pierde în litiu metal, este relativ mai sigură.
Energia specifică a bateriilor Li-Ion este de două ori mai mare decât cea a bateriilor NiCd. Iar tensiunea de funcționare este de 3,6 V, în loc de 1,2A pentru bateriile pe bază de Ni. Îmbunătățirea ulterioară a materialului electrod în viitor poate duce la o creștere semnificativă a capacității energetice a bateriilor Li.
Intervalul de tensiune de lucru pentru bateriile Li-Ion este de 2.8. 4.2V. Caracteristicile de încărcare și curba de descărcare a bateriilor Li-ion fac posibilă utilizarea eficientă a energiei stocate în spectrul de tensiune dorit: de la 3,7 până la 2,8 volți pe celulă. Curba de descărcare a bateriilor pe baza tehnologiei NiCd este în intervalul de 1,25 până la 1,0 volți pe celulă.
Tipuri de baterii litiu-ion
Ca orice baterie, bateria Li-Ion este alcătuită din doi electrozi - un catod și un anod, un separator care le separă și un electrolit ca conductor. Catodul este un oxid metalic (Li), iar anodul constă din carbon poros. În timpul descărcării, fluxul de ioni se deplasează de la anod la catod prin electrolit și separator. Când se încarcă, mișcarea se schimbă în sens invers. Acest proces este prezentat în Figura 1.
Figura 1: Mișcarea ionilor într-o baterie litiu-ion
Atunci când celulele sunt încărcate și descărcate, ionii circulă între catod (electrod pozitiv) și anod (electrod negativ). În timpul descărcării, anodul oxidează și pierde electronii, iar catodul în acel moment atrage electrozii. Când încărcarea este inversată.
Diferențele dintre tipurile de baterii Li-ion sunt determinate în principal de materialul catodic.
Alte materiale de carbon, cum ar fi, de exemplu, conductele de carbon, nu au găsit încă o aplicare comercială pe scară largă. Figura 2 prezintă curbele de tensiune pentru descărcarea bateriilor moderne Li-ion cu grafit ca anod și versiunile anterioare cu cocs.
Figura 2: Curba de tensiune la descărcarea bateriilor li-ion. Cu cât este mai curbă curba de descărcare, cu atât mai bine.
Noi evoluții sunt, de asemenea, efectuate cu anodul. Deci, ca un material nou încercați să utilizați aliaje de siliciu. Utilizarea siliciului permite obținerea unei creșteri a energiei specifice cu 20-30% datorită reducerii curenților de sarcină și reducerii ciclului de viață. structurat Nano titanat de litiu, atunci când este utilizat ca anod, permite creșterea ciclului de viață prezintă caracteristici bune de încărcare și temperatură scăzută, dar are o capacitate termică redusă.
Utilizarea diferitelor materiale pentru catod și anod permite producătorilor să îmbunătățească caracteristicile bateriilor li-ion produse. Cu toate acestea, creșterea anumitor caracteristici poate duce la deteriorarea altora. Fabricarea bateriilor, de exemplu, se pot optimiza energia specifică (capacitate) pentru a crește timpul de utilizare, poate crește, de asemenea, puterea specifică pentru a crește caracteristicile de sarcină, se poate prelungi durata de viață pentru a îmbunătăți durabilitatea, poate face bateria mai sigura pentru a reduce impactul negativ asupra mediului. Dar există dezavantaje. Deci, în creștere, capacitatea reduce curentul de sarcină, de optimizare a sarcinii de curent reduce de celule specifice de întărire a energiei pentru a crește durata de viață și siguranța bateriei mărește dimensiunea și costul datorită stratului său separator mai larg. Separatorul este partea cea mai scumpă a unei baterii Li-ion.
Pentru a obține o energie specifică mai mare și costuri mai mici, producătorii pot folosi nichel în loc de cobalt, dar acest lucru face celulele bateriilor mai puțin stabile. Companiile noi se pot concentra pe creșterea capacității specifice pentru progresul rapid pe piața bateriilor, dar siguranța și longevitatea utilizării pot avea de suferit. Firmele bine-cunoscute de producție acordă atenție în primul rând siguranței și durabilității bateriilor.
Tabelul 3 combină caracteristicile bateriilor Li-ion cu diferite materiale ca un catod. În tabel sunt enumerate cele patru tipuri cele mai frecvente de Li-Ion. Bateriile pot fi de următoarele tipuri: Litiu Cobalt, de litiu mangan, litiu fosfat și Nichel-mangan-cobalt (NMC).
Tabelul 1. Caracteristicile celor patru tipuri cele mai utilizate de baterii litiu-ion.
Notă: Nichel-mangan-cobalt (NMK), NKM, CMN, OLS și MCS sunt aceleași baterii. Compoziția chimică a acestor baterii este Li [Ni (1/3) Co (1/3) Mn (1/3)] O2. Locația Ni, Mn și Co nu este deosebit de importantă.
Căutarea unei baterii ideale de litiu-ion este acum în plină desfășurare. Producătorii văd noile utilizări ale bateriilor în motoarele auto și în stocarea energiei. La momentul redactării, se crede că cele mai potrivite baterii pentru motoarele electrice sunt bateriile litiu-mangan și / sau baterii de nichel-mangan-cobalt.
Acum, practic, bateriile Li-Ion sunt folosite în dispozitive portabile, iar proprietățile lor nu sunt cunoscute pentru utilizarea pe termen lung în acționări electrice. O evaluare clară a costurilor de exploatare și ciclul de viață al bateriilor poate fi dat numai după câteva generații de baterii Li-ion pentru automobile cu trenuri de rulare, care vor deveni mai evidente caracteristicile lor în timpul funcționării în condiții climatice diferite.
Tabelul 2. Avantajele și dezavantajele bateriilor cu litiu
