Что нужно знать о литий-ионном аккумуляторе

Введение

Литий-ионные аккумуляторы, часто сокращенно называемые ЛИБ, - это перезаряжаемые устройства хранения энергии, которые стали золотым стандартом для питания широкого спектра современных технологий. От наших смартфонов и ноутбуков до электромобилей и систем хранения возобновляемой энергии - литий-ионные аккумуляторы изменили способы использования и хранения электрической энергии. В этой статье мы рассмотрим ключевую роль, которую ЛИБ играют в этих отраслях, обеспечивая лучшее понимание принципов их работы, сырья, преимуществ и областей применения.

[1]

Рисунок 1. Литий-ионная батарея

Принципы работы литий-ионных батарей

Влитий-ионных батареях используется удивительный электрохимический процесс. Они работают по принципу перемещения ионов лития (Li+) туда и обратно между двумя важнейшими компонентами: анодом и катодом. Во время зарядки ионы лития извлекаются из катода и накапливаются в аноде, создавая разность потенциалов энергии. В фазе разряда, когда батарея вырабатывает энергию, эти ионы возвращаются на катод через раствор электролита.

[2 ]

Рисунок 2. Структура литий-ионного аккумулятора

Материалы литий-ионных аккумуляторов

В электрохимическом процессе различные материалы литий-ионных батарей тщательно подбираются и разрабатываются для обеспечения максимальной производительности, плотности энергии и общей эффективности батареи. Вот основные компоненты материалов для литий-ионных батарей:

-Материалы для анодов

Аноды в литий-ионных аккумуляторах обычно изготавливаются из материалов, способных интеркалировать (поглощать и высвобождать) ионы лития во время циклов заряда и разряда. К распространенным материалам анодов относятся графит и кремний.

lГрафит - наиболее часто используемый материал анода в коммерческих литий-ионных аккумуляторах благодаря своей стабильности и электрохимическим характеристикам .

lКремний обладает более высокой теоретической емкостью для хранения лития по сравнению с графитом. Однако расширение и сжатие кремния во время циклов литификации и делитификации создает инженерные проблемы.

-Материалы для катодов:

Катоды - еще один важнейший компонент, определяющий напряжение и емкость батареи. Различные материалы катодов имеют разные плато напряжения и плотность энергии.

lОксид кобальта лития (LiCoO2) широко использовался в первых поколениях LIB, особенно в бытовой электронике. Он обеспечивает хорошую плотность энергии, но менее распространен в высокоемких и мощных приложениях из-за соображений безопасности и стоимости.

lФосфат железа лития (LiFePO4) известен своей безопасностью и длительным сроком службы. Он часто используется в электромобилях и системах хранения возобновляемой энергии, где безопасность и долговечность имеют решающее значение.

lЛитиевые катоды из никель-кобальт-марганцевого оксида (NCM) и литиевые катоды из никель-кобальт-алюминиевого оксида (NCA) широко используются в батареях для электромобилей. Они обеспечивают баланс между плотностью энергии и плотностью мощности.

lЛитий-марганцевый оксид (LMO) ценится за свою термическую стабильность и безопасность, что делает его подходящим для применения в тех областях, где требуется контроль температуры.

--Электролит:

Электролит - это проводящая среда, которая позволяет ионам лития перемещаться между анодом и катодом во время заряда и разряда. Обычные электролиты включают соли лития, растворенные в органических растворителях, но для повышения безопасности и плотности энергии разрабатываются твердотельные электролиты.

-Сепаратор:

Сепараторы - это пористые мембраны, которые физически разделяют анод и катод, обеспечивая при этом прохождение ионов лития. Они обычно изготавливаются из полиэтилена (PE) или полипропилена (PP) и играют важную роль в предотвращении короткого замыкания и повышении безопасности.

Преимущества литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи обладают множеством преимуществ, которые сделали их предпочтительным выбором для широкого спектра приложений. Вот некоторые из ключевых преимуществ ЛИБ.

lЭффективность: LIB обладают высокой плотностью энергии, перезаряжаются и имеют низкий уровень саморазряда.

lДолговечность: ЛИБ могут эффективно работать в широком диапазоне температур - от отрицательных до высоких. Они имеют длительный срок службы, то есть могут проходить множество циклов заряда и разряда, прежде чем произойдет значительная деградация емкости.

lУстойчивость: LIB производят меньше выбросов и оказывают меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с некоторыми альтернативными решениями для хранения энергии.

lБезопасность: Современные LIB оснащены такими функциями безопасности, как термозащита, защита от перезаряда и встроенные системы управления батареей (BMS) для контроля и управления производительностью и безопасностью батареи.

Области применения литий-ионных батарей

Благодаря этим преимуществам литий-ионные батареи стали доминирующей силой на рынке накопителей энергии, стимулируя инновации в широком спектре областей применения:

lБытовая электроника: Литий-ионные батареи питают наши смартфоны, планшеты, ноутбуки, фотоаппараты и бесчисленное множество других портативных устройств, обеспечивая долговечный и высокопроизводительный источник энергии, необходимый для нашей все более взаимосвязанной жизни.

lЭлектромобили (EV): ЛИБ являются неотъемлемой частью революции в области электромобилей, выступая в качестве основной системы хранения энергии в электромобилях. Их способность хранить большие объемы энергии и эффективно ее отдавать способствовала росту рынка электромобилей.

lНакопители энергии возобновляемых источников: Эти батареи играют важнейшую роль в хранении электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками, такими как солнечные батареи и ветряные турбины. Накопленная энергия может быть использована в периоды низкого производства возобновляемой энергии или во время пикового спроса.

lАэрокосмическая промышленность: LIB используются в аэрокосмической отрасли, в том числе для питания спутников, космических кораблей и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), где важны их высокая плотность энергии и надежность.

lМедицинские приборы: Они используются в медицинском оборудовании, обеспечивая работоспособность таких критически важных устройств, как имплантируемые сердечные дефибрилляторы (ИКД) и портативные медицинские мониторы, когда это особенно необходимо.

Заключение

Подводя итог, можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы открыли эру экологически чистых, эффективных и устойчивых энергетических решений. Эти замечательные накопители энергии произвели революцию в питании наших устройств, транспортных средств и систем возобновляемой энергии, оставив неизгладимый след в различных отраслях благодаря высокой плотности энергии, долговечности и универсальности.

В Stanford Advanced Materials (SAM) продаются различные материалы для литий-ионных батарей, включая никель-кобальт-марганцевый оксид лития (NCM), никель-кобальт-алюминиевый оксид лития (NCA), кобальт-оксид лития (LCO), железофосфат лития (LFP) и др. Отправьте нам запрос, если вы заинтересованы.

Ссылки:

[1] Chandler, D. L. (2023, 23 марта). Исследование показывает резкое снижение стоимости литий-ионных батарей. Новости Массачусетского технологического института. Retrieved September 12, 2023, from https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117