Baterii Hybrid

3

Ce este nou?

Menu

Cum funcționează bateriile cu litiu?

Lucrarea de pionierat a bateriei cu litiu a început în 1912 sub conducerea G.N. Lewis, dar abia la începutul anilor 1970 primele baterii cu litiu nereîncărcabile au devenit disponibile comercial. Încercările de a dezvolta baterii reîncărcabile cu litiu au urmat în anii 1980, dar au eșuat din cauza instabilității litiului metalic folosit ca material anod. (Bateria metal-litiu folosește litiu ca anod; Li-ion folosește grafit ca anod și materiale active în catod.)

Litiul este cel mai ușor dintre toate metalele, are cel mai mare potențial electrochimic și oferă cea mai mare energie specifică pe greutate. Bateriile reîncărcabile cu litiu metalic pe anod ar putea oferi densități de energie extraordinar de mari; cu toate acestea, s-a descoperit la mijlocul anilor 1980 că ciclismul producea dendrite nedorite pe anod. Aceste particule de creștere pătrund în separator și provoacă un scurtcircuit electric. Temperatura celulei ar crește rapid și s-ar apropia de punctul de topire al litiului, provocând o fugă termică, cunoscută și sub denumirea de „ventilare cu flacără”. Un număr mare de baterii metalice reîncărcabile cu litiu trimise în Japonia au fost rechemate în 1991, după ce o baterie dintr-un telefon mobil a eliberat gaze în flăcări și a provocat arsuri la fața unui bărbat.

Instabilitatea inerentă a metalului de litiu, în special în timpul încărcării, a mutat cercetarea către o soluție nemetalică folosind ioni de litiu. În 1991, Sony a comercializat primul Li-ion, iar astăzi această chimie a devenit cea mai promițătoare și cu cea mai rapidă creștere a bateriei de pe piață. Deși mai mic în energie specifică decât litiu-metal, Li ion este sigur, cu condiția ca limitele de tensiune și curent să fie respectate.

Creditul pentru inventarea bateriei cu litiu-cobalt-oxid ar trebui să îi revină lui John B. Goodenough (1922). Se spune că în timpul dezvoltărilor, un student absolvent angajat de Nippon Telephone & Telegraph (NTT) a lucrat cu Goodenough în SUA. La scurt timp după descoperire, studentul a călătorit înapoi în Japonia, luând cu el descoperirea. Apoi, în 1991, Sony a anunțat un brevet internațional pentru un catod de litiu-cobalt-oxid. Au urmat ani de litigii, dar Sony a reușit să păstreze brevetul și Goodenough nu a primit nimic pentru eforturile sale. În semn de recunoaștere a contribuțiilor aduse la dezvoltarea Li-ion, Academia Națională de Inginerie din SUA a acordat lui Goodenough și altor colaboratori Premiul Charles Stark Draper în 2014. În 2015, Israelul i-a acordat lui Goodenough un premiu de 1 milion de dolari, pe care îl va dona Texas Materials Institutul de asistență în cercetarea materialelor.

Cheia energiei specifice superioare este tensiunea ridicată a celulei de 3,60 V. Îmbunătățirile materialelor active și electroliților au potențialul de a crește și mai mult densitatea energiei. Caracteristicile de sarcină sunt bune și curba de descărcare plată oferă o utilizare eficientă a energiei stocate într-un spectru de tensiune dorit și plat de 3,70–2,80 V/celulă.

În 1994, costul producerii Li-ion în celula cilindrică 18650 a fost de peste 10 USD, iar capacitatea a fost de 1.100 mAh. În 2001, prețul a scăzut sub 3 USD, în timp ce capacitatea a crescut la 1.900 mAh. Astăzi, celulele 18650 cu densitate mare de energie oferă peste 3.000 mAh, iar costurile sunt în scădere. Reducerea costurilor, creșterea energiei specifice și absența materialelor toxice au deschis drumul pentru a face Li-ion bateria universal acceptată pentru aplicații portabile, industrii grele, sisteme de propulsie electrice și sateliți. 18650 măsoară 18 mm în diametru și 65 mm în lungime. (Vezi BU-301: O privire asupra ambalajului bateriilor vechi și noi)

Li-ion este o baterie cu întreținere redusă, un avantaj pe care majoritatea celorlalte chimii nu îl pot pretinde. Bateria nu are memorie și nu are nevoie de exerciții fizice (descărcare completă deliberată) pentru a o menține în formă bună. Descărcarea automată este mai puțin de jumătate față de sistemele pe bază de nichel și acest lucru ajută la aplicațiile indicatorului de combustibil. Tensiunea nominală a celulei de 3,60 V poate alimenta direct telefoane mobile, tablete și camere digitale, oferind simplificări și reduceri de costuri față de modelele cu mai multe celule. Dezavantajele sunt necesitatea circuitelor de protecție pentru a preveni abuzul, precum și prețul ridicat.

Tipuri de baterii litiu-ion

Lithium-ion uses a cathode (positive electrode), an anode (negative electrode) and electrolyte as conductor. (The anode of a discharging battery is negative and the cathode positive (see BU-104b: Battery Building Blocks). The cathode is metal oxide and the anode consists of porous carbon. During discharge, the ions flow from the anode to the cathode through the electrolyte and separator; charge reverses the direction and the ions flow from the cathode to the anode. Figure 1 illustrates the process.

Figura 1: Fluxul de ioni în bateria litiu-ion.

Când celula se încarcă și se descarcă, ionii se deplasează între catod (electrodul pozitiv) și anod (electrodul negativ). La descărcare, anodul suferă oxidare sau pierdere de electroni, iar catodul vede o reducere sau un câștig de electroni. Încărcarea inversează mișcarea.

Bateriile Li-ion sunt disponibile în multe varietăți, dar toate au un lucru în comun – cuvântul de referință „litiu-ion”. Deși uimitor de similare la prima vedere, aceste baterii variază ca performanță, iar alegerea materialelor active le conferă personalități unice. (A se vedea BU-205: Tipuri de Li-ion-ion)

Bateria originală cu litiu-ion de la Sony a folosit cocs ca anod (produs din cărbune). Din 1997, majoritatea producătorilor de Li-ion, inclusiv Sony, au trecut la grafit pentru a obține o curbă de descărcare mai plată. Grafitul este o formă de carbon care are stabilitate ciclului pe termen lung și este folosit în creioane cu plumb. Este cel mai comun material de carbon, urmat de carbonii tari și moi. Carbonii din nanotuburi nu au găsit încă o utilizare comercială în Li-ion, deoarece tind să se încurce și să afecteze performanța. Un material viitor care promite să îmbunătățească performanța Li-ionului este grafenul.

Figura 2 ilustrează curba de descărcare a tensiunii a unui Li-ion modern cu anod de grafit și versiunea timpurie a cocsului.

Figura 2: Curba de descărcare a tensiunii de litiu-ion.
O baterie ar trebui să aibă o curbă de tensiune plată în domeniul de descărcare utilizabil. Anodul modern de grafit face acest lucru mai bine decât versiunea timpurie a cocsului. Prin amabilitatea lui Cadex

Au fost încercați mai mulți aditivi, inclusiv aliaje pe bază de siliciu, pentru a îmbunătăți performanța anodului de grafit. Este nevoie de șase atomi de carbon (grafit) pentru a se lega de un singur ion de litiu; un singur atom de siliciu se poate lega de patru ioni de litiu. Aceasta înseamnă că anodul de siliciu ar putea stoca teoretic de peste 10 ori energia grafitului, dar expansiunea anodului în timpul încărcării este o problemă. Anozii din silicon pur nu sunt, prin urmare, practici și doar 3-5% din siliciu se adaugă de obicei la anodul unui pe bază de siliciu pentru a obține un ciclu de viață bun.

Utilizarea titanatului de litiu nanostructurat ca aditiv anod arată o durată de viață promițătoare, capacități bune de încărcare, performanță excelentă la temperatură scăzută și siguranță superioară, dar energia specifică este scăzută și costul este ridicat.

Experimentarea cu materialul catodic și anod permite producătorilor să consolideze calitățile intrinseci, dar o îmbunătățire poate compromite alta. Așa-numita „Celula de energie” optimizează energia specifică (capacitatea) pentru a obține timpi de funcționare lungi, dar la o putere specifică mai mică; „Power Cell” oferă o putere specifică excepțională, dar la o capacitate mai mică. „Celula hibridă” este un compromis și oferă puțin din ambele. (Mai multe despre BU-501: Noțiuni de bază despre descărcare)

Producătorii pot obține relativ ușor o energie specifică ridicată și un cost scăzut prin adăugarea de nichel în locul cobaltului mai scump, dar acest lucru face ca celula să fie mai puțin stabilă. În timp ce o companie nou-înființată se poate concentra pe energie specifică ridicată și preț scăzut pentru a obține o acceptare rapidă pe piață, siguranța și durabilitatea nu pot fi compromise. Producătorii de renume acordă o integritate ridicată siguranței și longevității. Tabelul 3 rezumă avantajele și limitările Li-ion.

Majoritatea bateriilor Li-ion au un design similar constând dintr-un electrod pozitiv de oxid de metal (catod) care este acoperit pe un colector de curent din aluminiu, un electrod negativ (anod) realizat din carbon/grafit acoperit pe un colector de curent de cupru, un separator și electrolit. realizat din sare de litiu într-un solvent organic. Tabelul 3 rezumă avantajele și limitările Li-ion.

Tabelul 3: Avantajele și limitările bateriilor Li-ion