Akun olemus on "liikkuva peli".
Litium{0}}ioni-akkuja voidaan kuvata joko monimutkaisiksi tai yksinkertaisiksi sen mukaan, miten niitä tarkastellaan.
Konsepti on pohjimmiltaan yksinkertainen: kemiallinen energia ja sähköenergia muuntuvat keskenään litiumionien kulkiessa edestakaisin positiivisen ja negatiivisen elektrodin välillä.
Kuinka litium{0}}ioni-akut toimivat – kemian opiskeluhuone (Yksikään lukion kemian käsite ei ole ulottumattomissa!)
Voit kuvitella litiumioneja ahkeraksi "liikkujaksi". Latauksen aikana ulkoinen virtalähde antaa komennon, joka ajaa ne pois positiivisesta elektrodista; ne kulkevat elektrolyytin ja erottimen läpi "astuakseen" negatiiviseen elektrodiin. Purkauksen aikana prosessi kääntyy päinvastaiseksi, ja nämä "liikkujat" kulkevat takaisin negatiiviselta elektrodilta positiiviselle elektrodille.
Koska litiumionit "keinuvat" jatkuvasti edestakaisin positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä, tutkijat ovat antaneet litiumioniakuille elävän lempinimen: "keinutuoliakut".
Tässä edestakaisin-ja-liikkeessä on koko salaisuus litium-ioni-akkujen lataamisen ja purkamisen takana.
Lataus: "paimentaa" litiumioneja negatiiviselle elektrodille varastointia varten
[Kuva]
Latauksen aikana yhdistämme akun laturiin.
Heti kun ulkoinen virtalähde on kytketty, positiivisen elektrodin elektronit liikkuvat ensimmäisenä; ne "työnnetään" ulkoisen piirin läpi kohti negatiivista elektrodia. Kun elektronit lähtevät, positiivisen elektrodin litiumionit "hyppäävät" ulos seuraamaan niitä. Nämä positiivisesti varautuneet litiumionit hyppäävät elektrolyyttiin ja "uivat" erottimen käämitysten, mikroskooppisten huokosten läpi ja kulkeutuvat negatiiviselle elektrodille.
Saavuttuaan negatiivisen elektrodin litiumionit eivät voi yksinkertaisesti "liikkua" välittömästi. Negatiivisen elektrodin pintaa peittää näkymätön kerros, joka tunnetaan nimellä SEI (Solid Electrolyte Interphase) -kalvo. Tämä kalvo on ainutlaatuinen: se päästää litiumionien läpi, mutta estää elektronit. Litium-ionien on ensin läpäistävä tämä kalvo, ennen kuin ne löytävät sopivan kohdan "laskeutumaan" negatiivisen elektrodin materiaaliin.
Latauksen jatkuessa negatiiviseen elektrodiin uppoaa yhä enemmän litiumioneja. Mitä enemmän litiumia on upotettu negatiiviseen elektrodiin, sitä suurempi on akun kapasiteetti. Samanaikaisesti negatiivisen elektrodin potentiaali laskee vähitellen, kun taas positiivisen elektrodin potentiaali nousee, mikä aiheuttaa akun kokonaisjännitteen hitaasti kasvavan. Kun suurin osa positiivisen elektrodin litiumioneista on siirtynyt negatiiviselle elektrodille, latausprosessi on valmis.
Purkautuminen: Litiumionit "juoksevat takaisin" töihin
Johdatus tehoakkujärjestelmiin (Osa I): Materiaalin koostumus ja litiumioniakkujen lataus-/purkausprosessit- – CSDN-blogi
Purkaminen on prosessi, jossa akkua käytetään jokapäiväisessä elämässä,{0}}matkapuhelimen näytön valaiseminen tai sähköajoneuvon virran saaminen riippuu täysin tästä vaiheesta.
Purkauksen aikana negatiiviseen elektrodiin upotetut litiumionit vapautuvat ja liikkuvat ulospäin. Koska litiumioneilla on positiivinen varaus, niiden poistuminen aiheuttaa negatiivisen elektrodin positiivisen varauksen menettämisen; sähköisen neutraalisuuden säilyttämiseksi negatiivisen elektrodin on samanaikaisesti menetettävä elektroneja. Elektronit eivät kuitenkaan voi kulkea akun sisäpuolen läpi-erotin päästää litiumionien läpi, mutta estää elektroneja.
Siksi elektronien täytyy kulkea eri reittiä: negatiivisesta elektrodista alkaen ne kulkevat ulkoisen piirin läpi aina positiiviselle elektrodille.
Elektronien matka ulkoisen piirin läpi ei ole vain esittelyä varten,{0}}ne tekevät työtä matkan varrella. Energia, jota nämä elektronit vapauttavat niiden "työskennellessä" kulkunsa aikana, toimii matkapuhelimen näytöllä tai pyörittää sähköajoneuvon moottoria.
Entä litiumionit? Ne "hyppäävät" negatiiviselta elektrodilta elektrolyyttiin, "uivat" erottimen poikki ja palaavat positiiviselle elektrodille. Saapuessaan ne kohtaavat ulkoisen piirin kautta kulkeneet elektronit, ja nämä kaksi yhdistyvät uudelleen.
Mitä enemmän litiumioneja palaa positiiviselle elektrodille, sitä suurempi on akun purkauskapasiteetti. Tämän prosessin aikana negatiivisen elektrodin potentiaali nousee, kun taas positiivisen elektrodin potentiaali laskee, jolloin akun jännite laskee asteittain.
Elektronit ja litiumionit: erilliset roolit, molemmat välttämättömiä
Tähän mennessä olet todennäköisesti ymmärtänyt, että litiumioniakun toiminta perustuu työnjakoon ja elektronien ja litiumionien väliseen yhteistyöhön.
Litium-ionit kulkevat edestakaisin akun sisällä{0}}liikkuen negatiiviselle elektrodille latauksen aikana ja positiiviselle elektrodille purkamisen aikana. Elektronit kulkevat ulkoisen piirin läpi, -joka työnnetään positiivisesta negatiiviselle elektrodille latauksen aikana ja virtaavat negatiivisesta elektrodista positiiviselle elektrodille suorittaakseen työn purkamisen aikana.
Heillä on sama suunta ja tavoite, mutta ne kulkevat eri polkuja. Litium-ionit kulkevat "vesireittiä" (elektrolyytti ja erotin), kun taas elektronit kulkevat "maareittiä" (ulkoinen piiri). Juuri tämä työnjako mahdollistaa akun sekä varastoinnin että vapauttamaan energiaa. Miksi emme voi vain käyttää korkeaa-virtalatausta?
Kaikki haluavat nykyään nopeaa latausta-ajatella älypuhelimia, jotka tarjoavat "viisi minuuttia latausta kahdelle tunnille puheaikaa" tai sähköajoneuvoja, jotka lupaavat "kymmenen minuutin latauksen satojen kilometrien kantamalla". Litium-ioni-akkuja ei kuitenkaan voi ladata nopeasti halutessaan.
Suurin{0}}suuren virran nopeaan lataukseen liittyvä riski on negatiivisen elektrodin (anodin) "litiumpinnoitus".
Mitä tämä tarkoittaa? Latauksen aikana litiumionit kulkevat positiiviselta elektrodilta (katodilta) negatiiviselle elektrodille, kulkevat SEI (Solid Electrolyte Interphase) -kerroksen läpi ja löytävät paikan " asettua" negatiivisen elektrodin materiaaliin. Tämä prosessi on luonnostaan vaikea: ionien täytyy kulkea elektrolyytin läpi, kulkea erottimen pienten huokosten läpi, ylittää SEI-kerros ja lopulta paikantaa sopiva kohta negatiivisen elektrodimateriaalin sisällä.
Jos latausvirta on liian korkea, litiumionit ryntäävät sisään liian nopeasti löytääkseen sopivan "pedin" negatiiviselta elektrodilta. Ionit, jotka eivät upota itseään ajoissa, yksinkertaisesti kerääntyvät negatiivisen elektrodin pinnalle muodostaen harmaametallisen litiumkerroksen.
Keskustelu litiumdendriittien muodostumismekanismista ja ehkäisystä – Lithium Battery – Battery China
Tämä metallinen litiumkerros voi kasvaa puun kaltaisiksi{0}}kiteiksi, joita kutsutaan "litiumdendriiteiksi". Litiumdendriitit ovat vaarallisia; ne voivat puhkaista erottimen aiheuttaen suoran kosketuksen positiivisen ja negatiivisen elektrodin välille ja aiheuttaen sisäisen oikosulun. Oikosulku aiheuttaa akun lämpötilan nousun; erotin sulaa ja kutistuu korkeassa kuumuudessa, mikä voi johtaa tulipaloon tai jopa räjähdykseen.
Siksi latausvirtaa ei voi yksinkertaisesti lisätä mielivaltaisesti. Tekijät, kuten negatiivisen elektrodin materiaalin diffuusionopeus, elektrolyytin pitoisuus ja erottimen huokoisuus rajoittavat kaikki litiumionien kulkeutumisnopeutta. Kumpi vaihe on hitain, tulee pullonkaulaksi, ja tämä pullonkaula sijaitsee yleensä negatiivisessa elektrodissa.
Missä on akun "akilleksen kantapää"?
Kun ymmärrät taustalla olevat periaatteet, ymmärrät, että monet litium-ioni-akkuihin liittyvät ongelmat johtuvat tästä "muuttoprosessista":
Kapasiteetin heikkeneminen: Kun positiiviset ja negatiiviset elektrodimateriaalit toistuvasti "isännöivät" litiumioneja ajan mittaan, niiden rakenteet voivat romahtaa ja reitit voivat tukkeutua, jolloin vähemmän "sänkyjä" on käytettävissä ionien vastaanottamiseen.
Tehon menetys matalissa lämpötiloissa: Kun lämpötila laskee, elektrolyytistä tulee viskoosimpaa, mikä vaikeuttaa litiumionien "uintia" sen läpi.
Pikalataus vahingoittaa akkua: Suuret virrat estävät litiumioneja "kirjautumasta sisään" riittävän nopeasti, jolloin ne kerääntyvät pinnalle ja muodostavat litiumpinnoitetta. SEI-kerros on kaksiteräinen miekka: vaikka se suojaa anodia elektrolyytin aiheuttamalta hajoamiselta, sen muodostuminen kuluttaa osan litiumioneista, mikä johtaa kapasiteetin menetykseen alkulatauksen aikana.
Litium{0}}ioni-akkuteknologiassa on viime kädessä kyse tasapainon löytämisestä nopeuden ja turvallisuuden sekä kapasiteetin ja käyttöiän välillä. Pikalataukseen liittyy litiumpinnoituksen riski; kapasiteetin maksimointi vaatii enemmän litiumioneja, mutta ylikansoitus voi vaarantaa rakenteellisen vakauden.
Muutama ajatus
Litium-ioni-akut ovat olleet käytössämme vuosikymmeniä, ja ne ovat antaneet virtaa kaikkeen matkapuhelimista sähköajoneuvoihin ja skaalautuvat muutamasta watti-tunteista satoihin kilowatti{2}}tunteihin. Perusperiaate pysyy kuitenkin muuttumattomana: litiumionit kulkevat edestakaisin katodin ja anodin välillä, kun taas elektronit tekevät työtä ulkoisen piirin kautta.
Se, mikä on todella kehittynyt, ovat katodi- ja anodimateriaalit, elektrolyyttikoostumukset ja SEI-kerroksen ohjaustekniikat,{0}}joiden kaikkien tarkoituksena on tehdä litium--ionien "sukkula" nopeammaksi, vakaammaksi ja turvallisemmaksi.
Lähde: Internet
Toimittaja: Xiao Ai
Call for Papers: AMT on johtava korkean teknologian-valmistusteollisuuden palvelualusta, joten se ottaa akateemiset paperit tervetulleiksi. Julkaisu on täysin ilmaista ja voittoa tavoittelematonta. Lähetyksen sähköpostiosoite: info@amtbbs.org
Tekijänoikeusilmoitus: AMT kunnioittaa tekijänoikeuksia ja arvostaa jokaisen kirjoittajan kovaa työtä ja luovuutta. Lukuun ottamatta teoksia, joiden alkuperää ei voida jäljittää, mainitsemme lähteet jokaisen artikkelin lopussa. Jos sisältöön -mukaan lukien artikkelit, videot, kuvat tai teksti- liittyy tekijänoikeusongelmia, ota meihin yhteyttä välittömästi. Kun omistusoikeus on vahvistettu toimitettujen asiakirjojen avulla, poistamme sisällön viipymättä tai maksamme kansallisten standardien mukaisen korvauksen.
