Литий{0}}иондук батареяларга киришүү
Литий-ион батарейкаларынын иштөө принциби
Литий{0}}иондук батарея негизинен оң электроддон, терс электроддон, литий иондорун өткөрүүчү электролиттен жанабөлгүчжана оң жана терс электроддорду бөлүп турган корпус. Оң электрод материалы жалпысынан литий кобальт оксиди (LiCoO₂), литий никель оксиди (LiNiO₂), литий марганец оксиди (LiMn₂O₄) же тернардык материалдар сыяктуу литий иондорун кайра киргизүүгө жана экстракциялоого мүмкүндүк берүүчү кошулма. (LiCoₓNiᵧMn₁₋ₓ₋ᵧO₂). Электролит белгилүү бир эриткичте эриген литий туздарынан (кадимки литий туздарына LiClO₄, LiPF₆, LiBF₄, LiBOB ж. пропорция). Сепаратордун материалы жалпысынан полиолефиндик чайыр болуп саналат, көбүнчө бир катмарлуу же көп-кабаттуу полипропилен (PP) жана полиэтилен (ПЭ) микропороздуу мембраналар колдонулат, мисалы Celgard 2300 сепаратору. Терс электрод, адатта, мунай коксу, таза графит жана катмарлуу графит аралаш көмүртек сыяктуу литийдин интеркалацияланышына жөндөмдүү материалдарды колдонот. Терс электрод катары көмүртек (C₆) жана оң электрод катары өтүүчү металлдын оксиди LiMeO₂ колдонулган литий{10}}иондук батареядагы реакция төмөнкүдөй.
Заряддоо учурунда:
Чыгуу учурунда:
Заряддоо учурунда литий иондору оң электроддон бөлүнүп, терс электродго киргизилет; разряд учурунда литий иондору терс электроддон бөлүнүп, оң электродго киргизилет. Башкача айтканда, заряддоо жана разряддоо учурунда литий иондору термелүүчү отургуч сыяктуу оң жана терс электроддордун ортосунда алдыга жана артка жылышат. Ошондуктан, литий-иондук батарейкалар "солкул отургучтун батареялары" деп да аталат. Алардын иштөө принцибин 1.1-сүрөттө көрүүгө болот.
Кадимки заряддоонун жана разряддын шарттарында литий иондорун катмарланган көмүртек материалдары менен кычкыл бөлүкчөлөрүнүн арасына же литий{0}}иондук батареялардагы катмарлардын арасына киргизүү жана экстракциялоо көбүнчө катмарлар аралыктын өзгөрүшүнө гана алып келет жана кристалл түзүмүнө зыян келтирбейт. Заряддоо жана разряд учурунда оң жана терс электроддук материалдардын химиялык структуралары негизинен өзгөрүүсүз калат. Демек, заряд-разряд реакциясынын реверсивдүүлүгүнүн көз карашынан алганда, батареянын материалдарына литий иондорун киргизүү жана экстракциялоо идеалдуу реакция процесси болуп саналат. Бул мүнөздөмөлөрдүн негизинде литий{5}}иондук батарейкалар никель-кадмий жана никель-металл гидриддик батарейкалардан иштөө жагынан жогору.
Литий{0}}иондук батареянын классификациясы
Литий{0}}иондук батарейкалар колдонулган катод материалына, сырткы көрүнүшүнө жана өлчөмүнө, клетканы өндүрүү ыкмасына, таңгак түрүнө жана колдонуу өзгөчөлүктөрүнө жараша классификацияланышы мүмкүн.
Колдонулган катоддук материалдын негизинде литий{0}}иондук батарейкалар литий кобальт оксиддик батарейкаларга, литий марганец оксиддик батарейкаларга, үчтүк литий батарейкаларга жана литий темир фосфат батареяларына бөлүнөт.
Литий кобальт оксидинин батарейкаларынын номиналдык чыңалуусу 3,7V жана иштөө чыңалуу диапазону 2,4~4,2V. Литий кобальт оксидинин батарейкалары туруктуу түзүлүшкө, жогорку өзгөчө кубаттуулукка жана эң сонун жалпы өндүрүмдүүлүккө ээ, бирок алардын коопсуздугу начар жана баасы жогору, негизинен чакан жана орто{4}}өлчөмдүү клеткаларда колдонулат. Акыркы жылдары, жогорку чыңалуудагы литий кобальт оксидинин материалдары иштелип чыкты, алар батареянын жогорку чектүү чыңалуусун 4,3V же 4,35V чейин жогорулата алат, ошону менен батареянын сыйымдуулугун жана энергиянын тыгыздыгын эффективдүү жакшыртат. Учурда литий кобальт оксидинин батареялары эң жогорку көлөмдүү энергия тыгыздыгына ээ жана 550 Вт саат/кгга жетет, бул аларды жогорку сапаттагы уюлдук телефондорду жана башка электрондук өнүмдөрдү-кубаттоо үчүн жалгыз тандоо болуп саналат.
Литий марганец кычкылынын (MMANO) батарейкаларынын номиналдуу чыңалуусу 3,8V жана иштөө чыңалуу диапазону 2,5V 4,2V. Ашыкча заряддан коргоо чыңалуусу 4.28V ± 0.025V, ал эми ашыкча-разряддан коргоо чыңалуусу 2.5V ± 0.1V. MMANO батарейкаларынын-баасы арзан жана коопсуздугу жакшы. Бирок, литий марганец кычкылынын материалы өзү салыштырмалуу туруксуз жана бузулууга жакын, газ жана шишик пайда кылат. Анын циклинин иштөө мөөнөтү салыштырмалуу тез бузулат, анын иштөө мөөнөтү салыштырмалуу кыска жана жогорку-температуранын көрсөткүчтөрү начар. Ал негизинен кубаттуу батареяларды өндүрүү үчүн-баасы арзан, орточо{16}}-чоң-өлчөмдөгү клеткаларда колдонулат.
Үчтүк литий{0}}иондук (TLC) батарейкалардын номиналдык чыңалуусу 3,6V жана иштөө чыңалуу диапазону 2,75Вдан 4,2Вга чейин. Ашыкча заряддан коргоо чыңалуусу 4.28V ± 0.025V, ал эми ашыкча-разряддан коргоо чыңалуусу 2.75V ± 0.1V. TLC батарейкалары жакшы жалпы көрсөткүчкө ээ, литий кобальт оксидине (LCO) караганда арзаныраак жана жакшыртылган коопсуздукту сунуштайт. Аларды электрдик батарейкаларда колдонууга болот жана катоддук материал рыногунда алардын рыноктук үлүшү жылдан-жылга көбөйүүдө. Үчтүк литий{14}}материалдарды колдонгон чакан литий{13}}батареялар акырындык менен рынок тарабынан кабыл алынууда. Үчтүк материалдарды литий кобальттын оксиди жана литий марганец оксиди менен аралаштыруу үчүн-болот корпустуу, алюминий-корпус, баштык, полимердик жана цилиндрдик литий{18}}батареяларда колдонууга болот, бул батареянын чыгымдарын бир топ азайтып, жалпы өндүрүмдүүлүгүн жакшыртат. Учурда үч тараптуу материалдык батарейкалар 180 Вт/кг энергиянын тыгыздыгына жете алат (26650 болоттон жасалган{22}}корпусу 90 г салмактагы 4600 мАч/кг кубаттуулукка жетиши мүмкүн),-эффекттүүлүк жагынан ачык артыкчылык.
Литий темир фосфат (LFP) батареяларынын номиналдык чыңалуусу 3,2V жана иштөө чыңалуу диапазону 2,5~3,75V. Ашыкча заряддан коргоо чыңалуусу 3,75V±0,025V, ал эми ашыкча{6}}разряддан коргоо чыңалуусу 2,5V±0,1V. LFP батарейкаларынын эң чоң артыкчылыгы - бул оң электроддук материалдын-туруктуулугу жана чирибестиги, башка оң электроддук материал системаларына салыштырмалуу аларга теңдешсиз коопсуздукту камсыз кылат. LFP батарейкалары узак мөөнөткө ээ, ресурстарга бай жана экологиялык жактан таза. Бирок, алар аз разряд платформасына жана төмөнкү-температуранын начар иштешине ээ.
Сырткы көрүнүшүнө жана өлчөмүнө жараша литий{0}}батареяларды цилиндрдик батарейкаларга жана призмалык батареяларга ж.б. бөлүүгө болот.
Литий{0}}иондук батарейкаларды клетканы өндүрүү ыкмасынын негизинде жарааттуу батареяларга (цилиндрлик жараат жана жалпак жараат), үйүлгөн батареяларга ж.б. бөлүүгө болот.
Таңгактоочу материалдын түрүнө жараша литий{0}}иондук батареялар болот-капкалуу батареяларга, алюминий{2}}капкалуу батареяларга, пластик-капкалуу батареяларга, жумшак-батареяларга жана башкаларга бөлүнөт.
Колдонуу өзгөчөлүктөрүнө жараша литий{0}}иондук батарейкалар жогорку-температуралуу батареяларга, төмөнкү{2}}температуралуу батареяларга, кубаттуу батареяларга жана кубаттуу батареяларга ж.б. бөлүүгө болот.
Колдонуу чөйрөсүнө жараша литий{0}}иондук батарейкаларды төмөнкүдөй классификациялоого болот: резервдик батарейкалар, кубаттуу батареялар жана энергия сактоочу батареялар.
Литий{0}}иондук батарейкаларды колдонуу
Батарея ойлоп табылгандан бери эч бир батарея продуктусу литий-иондук батарейкадай тез жана кеңири колдонула элек деп айтууга болот. Компьютердик процессорлор үчүн сааттык электр менен жабдуудан баштап, автомобилдерде жана суу астындагы кайыктарда колдонулуучу чоң литий-аккумуляторлор пакеттерине чейин кубаттуулуктун айырмасы 10 миллион эседен ашык. Алар күнүмдүк турмушта, медициналык жабдууларда, электр унааларында, энергияны сактоочу электр станцияларында, аэрокосмостук жана аскерий тармактарда кеңири колдонулат.
10 жылдан ашык популярдуулукка ээ болгондон кийин, литий{1}}иондук батарейкалар уюлдук телефондор жана ноутбуктар сыяктуу санариптик өнүмдөрдө кеңири колдонулган жалгыз энергия системасы болуп калды. Улам, алардын өзгөчө энергия, алар ошондой эле электр аспаптарда, электр велосипеддер, электр автобустар, шамал жана күн энергиясын сактоочу электр станциялары, мобилдик байланыш базалык станциялары, тоо-кен лампасынын электр булактары, тоо-кен куткаруу капсула энергия булактары, аскердик жеке жоокер энергия булактары, радио, спутниктик батареялар, жана башка көптөгөн колдонмолордо колдонулат. Статистикалык маалыматтарга ылайык, 2011-жылы Кытайдын литий батарейка өнөр жайынын базар көлөмү 39,7 миллиард юаньга жетип, бир жылда{6}}-жылдык 43%га өскөн, ал эми литий батареяларынын жылдык өндүрүшү 2,97 миллиард даанага жеткен,-жылдык{{11}.8% га өскөн. Литий батареялары өнөр жайы улуттук экономиканын маанилүү өнөр жай багыты болуп калды²¹.
