लिथियम-आयन बॅटरीची वैशिष्ट्ये काय आहेत?
लिथियम-आयन बॅटरी मटेरिअल्सची क्षमता आणि इलेक्ट्रोमोटिव्ह फोर्स
चार्ज-लिथियम आयन बॅटरीची डिस्चार्ज रिॲक्शन-दरम्यान, फक्त पॉझिटिव्ह आणि निगेटिव्ह इलेक्ट्रोडच्या सक्रिय पदार्थांवर लिथियम-आयन इंटरकॅलेशन/डिइंटरकलेशन रिॲक्शन होतात, तर इलेक्ट्रोलाइट आणि इतर पदार्थांचा वापर होत नाही. त्यामुळे, पॉझिटिव्ह आणि निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरिअल इंटरकॅलेट/डिइंटरकॅलेट लिथियम आयन बॅटरीचे ओपन-सर्किट व्होल्टेज आणि लिथियम आयन इंटरकॅलेटिंग/डिइंटरकॅलेटिंगचे प्रमाण सक्रिय सामग्रीची क्षमता निर्धारित करते. अनेक जागतिक लिथियम-आयन बॅटरी उत्पादक आणि लिथियम-आयन बॅटरी पुरवठादार स्थिर मोठ्या प्रमाणात उत्पादन आणि सातत्यपूर्ण उत्पादन कार्यप्रदर्शन प्राप्त करण्यासाठी या भौतिक वैशिष्ट्यांवर अवलंबून असतात.
नकारात्मक इलेक्ट्रोडसाठी, समीकरण (1.2) नुसार प्रतिक्रिया येते. कार्बनच्या प्रति मोल (12 ग्रॅम), जास्तीत जास्त 1/6 मोल लिथियम आयन आंतरकले जाऊ शकतात. म्हणून, कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीची सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता आहे
1/6(mol)×96485(Faraday constant,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1.5)
दैनंदिन वापरात, शोषण आणि सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (SEI) फिल्मच्या निर्मितीमुळे लिथियमचे नुकसान लक्षात घेता, कार्बन सामग्रीची वास्तविक साध्य करण्यायोग्य विशिष्ट क्षमता 300-345 mA·h/g आहे. अग्रगण्य लिथियम-आयन बॅटरी पॅक पुरवठादार इष्टतम ग्रेफाइट फॉर्म्युलेशन आणि अचूक कोटिंग प्रक्रियेद्वारे ही पातळी गाठतात.
पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीसाठी, तिची क्षमता लिथियम आयनच्या प्रमाणात अवलंबून असते जे काढले / घातले जाऊ शकते. उदाहरण म्हणून LiCoO₂ घेतल्यास, LiCoO₂ च्या प्रति मोल 1 mol पर्यंत लिथियम आयन प्रतिक्रियामध्ये भाग घेऊ शकतात. म्हणून, LiCoO₂ (सापेक्ष आण्विक वस्तुमान 97.86) ची सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता आहे
1(mol)×96485(C/mol)/97.86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1.6)
व्यवहारात, LiCoO₂ सामग्रीची क्रिस्टल स्थिरता राखण्यासाठी, सामान्यत: केवळ 30%-60% लिथियम आयन प्रतिक्रियामध्ये भाग घेतात. म्हणून, LiCoO₂ सामग्रीची वास्तविक विशिष्ट क्षमता 137-164 mAh/g आहे. प्रमुख लिथियम-आयन बॅटरी OEM उत्पादक प्रगत BMS द्वारे चार्ज आणि डिस्चार्जची खोली नियंत्रित करतात आणि सुरक्षिततेची खात्री करून सायकलचे आयुष्य वाढवतात.
लिथियम लोह फॉस्फेटसाठी, लिथियम आयरन फॉस्फेटच्या प्रति मोल लिथियम आयनचे 1 मोल प्रतिक्रियेमध्ये पूर्णपणे भाग घेऊ शकतात. म्हणून, लिथियम लोह फॉस्फेट सामग्रीची सैद्धांतिक आणि वास्तविक विशिष्ट क्षमता (सापेक्ष आण्विक वस्तुमान 157.8) आहे
1(mol)×96485(C/mol)/157.8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1.7)
निसर्गात, Li/Li⁺ ची मानक रेडॉक्स क्षमता सर्वात कमी आहे, ती -3.04 V (वि. मानक हायड्रोजन इलेक्ट्रोड) पर्यंत पोहोचते. कार्बन निगेटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीसाठी, लिथियम-आयन काढण्याची आणि समाविष्ट करण्याची क्षमता Li/Li⁺ समतोल क्षमतेच्या जवळ आहे. इलेक्ट्रोकेमिकल सिद्धांतानुसार, खोलीच्या तपमानावर, कार्बन नकारात्मक इलेक्ट्रोडचे इलेक्ट्रोड संभाव्य ई आहे
E=E डिग्री + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
कुठे
E डिग्री - मानक इलेक्ट्रोड क्षमता;
C(Li⁺) - इलेक्ट्रोलाइट द्रावणात लिथियम आयनची एकाग्रता;
C(Li,C₆) - ऋण इलेक्ट्रोड कार्बनमध्ये लिथियम आयनची एकाग्रता.
जेव्हा द्रावणात आणि ऋण इलेक्ट्रोड कार्बनमध्ये लिथियम आयन एकाग्रता जवळ असते, तेव्हा ऋण इलेक्ट्रोडची इलेक्ट्रोड संभाव्यता मानक घट संभाव्यता E डिग्रीच्या बरोबरीची असते. सामान्यतः, इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम आयन एकाग्रता निश्चित केली जाते, म्हणून नकारात्मक इलेक्ट्रोड कार्बनमधील लिथियम आयन एकाग्रतेतील बदलांमुळे नकारात्मक इलेक्ट्रोड संभाव्यतेमध्ये बदल होतात. विविध x मूल्यांसह Li/C₆ च्या अचूक समतोल संभाव्यतेची गणना करण्यासाठी सध्या कोणतीही सार्वत्रिक पद्धत नाही. हे सामान्यतः प्रायोगिकरित्या निर्धारित केले जाते. प्रयोग दर्शविते की ग्रेफाइटवर आधारित सामग्रीची विसर्जन क्षमता सामान्यत: 0-0.4 V (वि. Li/Li⁺) दरम्यान बदलते, ज्यामुळे ते अनुप्रयोगांसाठी तुलनेने योग्य नकारात्मक इलेक्ट्रोड साहित्य बनतात. आकृती 1.2 ग्रेफाइट नकारात्मक इलेक्ट्रोडचे ठराविक चार्ज{10}}डिस्चार्ज वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र दाखवते.
LiCoO₂ पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड सामग्रीसाठी, लिथियम इंटरकॅलेशन/डिइंटरकलेशन प्रक्रिया ही एकल-फेज प्रतिक्रिया असते. पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोड मटेरियलमधील लिथियम आयन एकाग्रता बदलत असल्याने, पॉझिटिव्ह इलेक्ट्रोडची क्षमता देखील बदलते. इलेक्ट्रोलाइटमधील लिथियम आयन एकाग्रता 1 mol/L आहे, समीकरण (1.1) मधील प्रतिक्रियेसाठी, सकारात्मक इलेक्ट्रोड संभाव्य E आहे
E=E डिग्री + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
कुठे
E डिग्री - मानक इलेक्ट्रोड क्षमता;
सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये C(LiCoO₂) - LiCoO₂ ची एकाग्रता;
C(Li⁺,CoO₂) - सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये Li⁺ आणि CoO₂ ची एकाग्रता;
जसजसे लिथियम आयन काढले जातात, सकारात्मक इलेक्ट्रोड संभाव्यता खाली येणारी प्रवृत्ती दर्शवते.
लिथियम आयर्न फॉस्फेट मटेरिअलची चार्ज-डिस्चार्ज प्रक्रिया म्हणजे लिथियम आयर्न फॉस्फेटपासून विसर्जनानंतर लोह फॉस्फेटमध्ये रूपांतर.
लिथियम लोह फॉस्फेट इलेक्ट्रोड येथे प्रतिक्रिया आहे
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
त्याची लिथियम-आयन इंटरकॅलेशन/डिइंटरकलेशन प्रक्रिया ही दोन-फेज प्रतिक्रिया आहे. म्हणून, सकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्रीमध्ये लिथियम आयन एकाग्रतेतील बदल सकारात्मक इलेक्ट्रोडच्या संभाव्य बदलावर परिणाम करत नाहीत. त्याची समतोल क्षमता आहे
E=E डिग्री + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
शुद्ध घन पदार्थांची एकाग्रता 1. त्याच्या थर्मोडायनामिक पॅरामीटर्सवर आधारित, सैद्धांतिक समतोल क्षमता 3.4 V आहे.
लिथियम आयर्न फॉस्फेट सामग्रीचे विशिष्ट चार्ज-डिस्चार्ज वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र आकृती 1.3 मध्ये दाखवले आहे.
लिथियम-आयन बॅटरीची कार्यप्रदर्शन वैशिष्ट्ये
इतर बॅटरीच्या तुलनेत, लिथियम-आयन बॅटरीमध्ये खालील वैशिष्ट्ये आहेत जी लिथियम-आयन बॅटरी वितरक आणि औद्योगिक क्लायंटद्वारे व्यापकपणे ओळखली जातात:
उच्च ऊर्जा घनता.लिथियम-आयन बॅटरीची ऊर्जा घनता 100 W·h/kg आणि 200 W·h/L किंवा त्याहून अधिक पोहोचते. अलीकडील टर्नरी कॅथोड लिथियम-आयन बॅटरीने 200 W·h/kg ची वस्तुमान विशिष्ट ऊर्जा प्राप्त केली आहे. उच्च-निकेल सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री आणि लिथियम-समृद्ध कॅथोड सामग्री वापरून, वस्तुमान विशिष्ट ऊर्जा 400 W·h/kg आणि व्हॉल्यूमेट्रिक ऊर्जा घनता 900 W·h/L पर्यंत पोहोचणे अपेक्षित आहे, जे पारंपारिक बॅटरीपेक्षा खूप जास्त आहे. म्हणून, लिथियम-आयन बॅटरी पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उत्पादने आणि इलेक्ट्रिक वाहनांमध्ये मोठ्या प्रमाणावर वापरल्या जातात.
उच्च ओपन-सर्किट व्होल्टेज.नॉन-जलीय सेंद्रिय सॉल्व्हेंट्सच्या वापरामुळे, सिंगल-सेल व्होल्टेज 3.6–3.8 V पर्यंत पोहोचते, जे निकेल-मेटल हायड्राइड किंवा निकेल-कॅडमियम बॅटरीच्या 2-3 पट आहे. उच्च-व्होल्टेज कॅथोड सामग्रीचा प्रभावीपणे वापर केल्याने एका सेलचे ऑपरेटिंग व्होल्टेज 4.5–5 V पर्यंत वाढू शकते, जे लिथियम-आयन बॅटरीच्या उच्च ऊर्जा घनतेचे एक महत्त्वाचे कारण आहे.
उच्च-दर चार्ज आणि डिस्चार्ज करण्यास सक्षम.उदाहरणार्थ, पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स वापरून सर्व-सॉलिड-स्टेट लिथियम-आयन बॅटरी चांगल्या सुरक्षिततेसह 10C पेक्षा जास्त डिस्चार्ज दर मिळवू शकतात; लिथियम-आयन बॅटरी लिथियम आयर्न फॉस्फेट वापरतात कारण कॅथोड 100C डिस्चार्ज मिळवू शकतात.
कमी स्व-डिस्चार्ज दर.खोलीच्या तपमानावर, लिथियम-आयन बॅटरीचा मासिक स्वत:चा डिस्चार्ज दर साधारणपणे 10% पेक्षा कमी असतो, निकेल-मेटल हायड्राइड बॅटरी (15%) आणि निकेल-कॅडमियम बॅटरीपेक्षा निम्मा असतो. लिथियम आयर्न फॉस्फेट बॅटरीचा सेल्फ-डिस्चार्ज दर साधारणपणे ३% पेक्षा कमी असतो.
पर्यावरणास अनुकूल,शिसे, कॅडमियम, पारा किंवा इतर हानिकारक पदार्थ नसलेले आणि पर्यावरण प्रदूषित करत नाही.
स्मृती प्रभाव नाही.मेमरी इफेक्ट अशा घटनेला संदर्भित करते जेथे बॅटरीची क्षमता पूर्णपणे डिस्चार्ज होण्यापूर्वी किंवा पूर्ण चार्ज होण्यापूर्वी वापरली जाते तेव्हा कमी होते (मेमरी प्रभाव क्षमता क्षय होत नाही). लिथियम-आयन बॅटरीचा मेमरी प्रभाव नसतो.
चांगली सुरक्षा.लिथियम-आयन बॅटरी सामान्यत: कार्बन सामग्रीचा वापर नकारात्मक इलेक्ट्रोड म्हणून करतात, ज्यात धातूच्या लिथियमच्या जवळ इलेक्ट्रोड क्षमता असते. लिथियम आयन कार्बनमध्ये उलट्या रीतीने इंटरकॅलेट आणि डिइंटरकॅलेट करू शकतात, ज्यामुळे लिथियम मेटल साचण्याची संभाव्यता मोठ्या प्रमाणात कमी होते आणि बॅटरी सुरक्षिततेत लक्षणीय सुधारणा होते. अलिकडच्या वर्षांत, फ्लेम-रिटार्डंट ॲडिटीव्ह, फ्लेम-रिटार्डंट सेपरेटर, PTC (सकारात्मक तापमान गुणांक) उपकरणे, स्फोट-प्रूफ व्हॉल्व्ह, बॅटरी मॅनेजमेंट सिस्टम आणि इतर तंत्रज्ञानाने लिथियम-आयन बॅटरीची अत्यंत उच्च सुरक्षा सुनिश्चित केली आहे.
लांब सायकल आयुष्य.लिथियम-आयन बॅटरीचे सायकल लाइफ साधारणपणे ५०० पेक्षा जास्त सायकल असते. लिथियम आयर्न फॉस्फेट बॅटरीचे सायकल आयुष्य साधारणपणे 2000-3000 सायकल असते. उच्च सायकल क्षमतेसह (जसे की लिथियम टायटेनेट) एनोड मटेरियल सिस्टीमशी जुळल्यास, 10,000 पेक्षा जास्त चक्रे साध्य करता येतात. हे लिथियम आयर्न फॉस्फेट बॅटरीला ऊर्जा साठवण बॅटरी सिस्टम आणि मोठ्या-ईएसएस प्रकल्पांसाठी सर्वोत्तम पर्याय बनवते.
