Quelles sont les caractéristiques des batteries lithium-ion ?
Capacité et force électromotrice des matériaux des batteries au lithium-ion
Lors de la réaction de charge-décharge des batteries lithium-ion, seuls les matériaux actifs des électrodes positives et négatives subissent des réactions d'intercalation/désintercalation du lithium-ion, tandis que l'électrolyte et les autres matériaux ne sont pas consommés. Par conséquent, le potentiel auquel les matériaux des électrodes positives et négatives intercalent/désintercalent de manière réversible les ions lithium détermine la tension en circuit ouvert-de la batterie, et la quantité d'ions lithium intercalant/désintercalant détermine la capacité du matériau actif. De nombreux fabricants mondiaux de batteries lithium-ion et fournisseurs de batteries lithium-ion s'appuient sur ces caractéristiques matérielles pour obtenir une production de masse stable et des performances produit constantes.
Pour l'électrode négative, la réaction se produit selon l'équation (1.2). Par mole de carbone (12g), un maximum de 1/6 mole d'ions lithium peut être intercalé. Par conséquent, la capacité spécifique théorique du matériau de l’électrode négative en carbone est
1/6(mol)×96485(Constante de Faraday,C/mol)/12(g)=3400C/g=372(mA·h/g) (1,5)
En utilisation quotidienne, compte tenu de la perte de lithium due à l'adsorption et à la formation du film d'interphase d'électrolyte solide (SEI), la capacité spécifique réelle réalisable des matériaux carbonés est de 300 à 345 mA·h/g. Les principaux fournisseurs de batteries au lithium-ion atteignent ce niveau grâce à une formulation de graphite optimisée et à des processus de revêtement précis.
Pour le matériau de l’électrode positive, sa capacité dépend de la quantité d’ions lithium pouvant être extraite/insérée. En prenant LiCoO₂ comme exemple, jusqu'à 1 mole d'ions lithium par mole de LiCoO₂ peut participer à la réaction. Par conséquent, la capacité spécifique théorique de LiCoO₂ (masse moléculaire relative 97,86) est
1(mol)×96485(C/mol)/97,86(g)=985.95C/g=273.9(mA·h/g) (1,6)
En pratique, pour maintenir la stabilité cristalline du matériau LiCoO₂, seuls 30 à 60 % des ions lithium participent généralement à la réaction. Par conséquent, la capacité spécifique réelle du matériau LiCoO₂ est de 137 à 164 mA·h/g. Les principaux fabricants OEM de batteries au lithium-ion contrôlent la profondeur de charge et de décharge via un BMS avancé pour maximiser la durée de vie tout en garantissant la sécurité.
Pour le phosphate de fer et de lithium, 1 mole d'ions lithium par mole de phosphate de fer et de lithium peut participer pleinement à la réaction. Par conséquent, la capacité spécifique théorique et réelle du matériau de phosphate de fer et de lithium (masse moléculaire relative 157,8) est
1(mol)×96485(C/mol)/157,8(g)=611.44C/g=169.8(mA·h/g) (1,7)
Dans la nature, le potentiel redox standard de Li/Li⁺ est le plus bas, atteignant -3,04 V (par rapport à une électrode à hydrogène standard). Pour les matériaux d'électrode négative en carbone, le potentiel d'extraction et d'insertion du lithium-ion est proche du potentiel d'équilibre Li/Li⁺. Selon la théorie électrochimique, à température ambiante, le potentiel d'électrode E de l'électrode négative en carbone est
E=E degré + 0.02567 · ln[C(Li⁺)/C(Li,C₆)] (1.8)
où
Potentiel d'électrode standard de degré E - ;
C(Li⁺) - concentration d'ions lithium dans la solution électrolytique ;
C(Li,C₆) - concentration d'ions lithium dans le carbone de l'électrode négative.
Lorsque la concentration d'ions lithium dans la solution et dans le carbone de l'électrode négative est proche, le potentiel d'électrode de l'électrode négative est égal au potentiel de réduction standard E degré. Généralement, la concentration d'ions lithium dans l'électrolyte est fixe, de sorte que les changements de concentration d'ions lithium dans le carbone de l'électrode négative entraîneront des changements dans le potentiel de l'électrode négative. Il n'existe actuellement aucune méthode universelle pour calculer le potentiel d'équilibre précis de Li/C₆ avec des valeurs x variables. Elle est généralement déterminée expérimentalement. Les expériences montrent que le potentiel de délithiation des matériaux à base de graphite-varie généralement entre 0 et 0,4 V (par rapport à Li/Li⁺), ce qui en fait des matériaux d'électrode négative relativement adaptés aux applications. La figure 1.2 montre la courbe caractéristique de charge-décharge typique d'une électrode négative en graphite.
Pour le matériau d'électrode positive LiCoO₂, le processus d'intercalation/désintercalation du lithium est une réaction monophasée-. À mesure que la concentration d'ions lithium dans le matériau de l'électrode positive change, le potentiel de l'électrode positive change également. Considérant que la concentration en ions lithium dans l'électrolyte est de 1 mol/L, pour la réaction de l'équation (1.1), le potentiel d'électrode positive E est
E=E degré + 0.02567 · ln[C(Li⁺,CoO₂)/C(LiCoO₂)] (1.9)
où
Potentiel d'électrode standard de degré E - ;
C(LiCoO₂) - concentration de LiCoO₂ dans le matériau de l'électrode positive ;
C(Li⁺,CoO₂) - concentration de Li⁺ et CoO₂ dans le matériau de l'électrode positive ;
À mesure que les ions lithium sont extraits, le potentiel de l’électrode positive présente une tendance à la baisse.
Le processus de charge-décharge du phosphate de fer et de lithium est la conversion du phosphate de fer et de lithium en phosphate de fer après délithiation.
La réaction à l’électrode de lithium fer phosphate est
LiFePO₄ ↔ FePO₄ + Li⁺ + e⁻ (1.10)
Son processus d'intercalation/désintercalation des-ions lithium est une réaction en deux-phases. Par conséquent, les changements dans la concentration d’ions lithium dans le matériau de l’électrode positive n’affectent pas le changement de potentiel de l’électrode positive. Son potentiel d'équilibre est
E=E degré + 0.02567 · ln[C(FePO₄)/C(LiFePO₄)] (1.11)
La concentration de solides purs est de 1. Sur la base de ses paramètres thermodynamiques, le potentiel d'équilibre théorique est de 3,4 V.
La courbe caractéristique typique de charge-décharge du matériau phosphate de fer et de lithium est présentée à la figure 1.3.
Caractéristiques de performance des batteries au lithium-ion
Par rapport à d'autres batteries, les batteries lithium-ion présentent les caractéristiques suivantes qui sont largement reconnues par les distributeurs de batteries lithium-ion et les clients industriels :
Haute densité énergétique.La densité énergétique des batteries lithium-ion atteint 100 W·h/kg et 200 W·h/L ou plus. Les batteries lithium-ion à cathode ternaire récentes ont atteint une énergie massique spécifique de 200 W·h/kg. En utilisant des matériaux d'anode à haute teneur en -nickel-silicium-et des matériaux de cathode riches en lithium-, l'énergie massique spécifique devrait atteindre 400 W·h/kg et la densité d'énergie volumétrique de 900 W·h/L, dépassant de loin les batteries traditionnelles. Par conséquent, les batteries lithium-ion sont largement utilisées dans les produits électroniques portables et les véhicules électriques.
Tension en circuit ouvert-élevée.En raison de l'utilisation de solvants organiques non-aqueux, la tension d'une seule-cellule atteint 3,6 à 3,8 V, soit 2 à 3 fois celle des batteries au nickel-hydrure métallique ou au nickel-cadmium. L'utilisation efficace de matériaux cathodiques à haute tension - peut augmenter la tension de fonctionnement d'une seule cellule à 4,5–5 V, ce qui est l'une des raisons importantes de la densité énergétique élevée des batteries lithium -ion.
Capable de charger et de décharger des taux élevés.Par exemple, toutes les batteries-lithium-à l'état solide-ion utilisant des électrolytes polymères peuvent atteindre des taux de décharge supérieurs à 10 C avec une bonne sécurité ; Les batteries lithium-ion utilisant du lithium fer phosphate comme cathode peuvent atteindre une décharge de 100 °C.
Faible taux d'autodécharge-.À température ambiante, le taux d'autodécharge mensuel-des batteries au lithium-ion est généralement inférieur à 10 %, inférieur à celui des batteries au nickel-hydrure métallique (15 %) et à la moitié de celui des batteries au nickel-cadmium. Le taux d'autodécharge-des batteries au lithium fer phosphate est généralement inférieur à 3 %.
Respectueux de l'environnement,ne contient pas de plomb, de cadmium, de mercure ou d'autres substances nocives et ne pollue pas l'environnement.
Aucun effet mémoire.L'effet mémoire fait référence au phénomène selon lequel la capacité de la batterie diminue lorsqu'elle est rechargée avant d'être complètement déchargée ou utilisée avant d'être complètement chargée (l'effet mémoire n'est pas une dégradation de la capacité). Les batteries au lithium-ion n'ont pas d'effet mémoire.
Bonne sécurité.Les batteries au lithium-ion utilisent généralement des matériaux carbonés comme électrode négative, qui a un potentiel d'électrode proche de celui du lithium métallique. Les ions lithium peuvent s'intercaler et se désintercaler de manière réversible dans le carbone, réduisant considérablement la probabilité de dépôt de lithium métallique et améliorant considérablement la sécurité de la batterie. Ces dernières années, les -additifs ignifuges, les-séparateurs ignifuges, les dispositifs PTC (coefficient de température positif), les valves antidéflagrantes-, les systèmes de gestion de batterie et d'autres technologies ont assuré une sécurité extrêmement élevée des batteries lithium-ion.
Longue durée de vie.La durée de vie des batteries lithium-ion est généralement supérieure à 500 cycles. La durée de vie des batteries au lithium fer phosphate est généralement de 2 000 à 3 000 cycles. Lorsqu'il est associé à des systèmes de matériaux d'anode à capacité de cycle élevée (tels que le titanate de lithium), plus de 10 000 cycles peuvent être réalisés. Cela fait des batteries au lithium fer phosphate le meilleur choix pour les systèmes de batteries de stockage d'énergie et les projets ESS à grande échelle.
