Az akkumulátor lényege egy "mozgó játék".
A lítium{0}}ionos akkumulátorok összetettnek vagy egyszerűnek nevezhetők, attól függően, hogyan nézzük őket.
Lényegében a koncepció egyszerű: a kémiai energia és az elektromos energia átalakul egymással, miközben a lítium-ionok oda-vissza ingáznak a pozitív és negatív elektródák között.
A lítium{0}}ion akkumulátorok működése – Kémiai tanterem (A középiskolai kémia koncepciója nincs elérhetetlen!)
A lítium-ionokat szorgalmas "mozgatók" csoportjaként képzelheti el. Töltés közben egy külső áramforrás parancsot ad ki, kiűzve őket a pozitív elektródából; áthaladnak az elektroliton és a szeparátoron, hogy a negatív elektródánál "megtelepedjenek". A kisülés során a folyamat megfordul, és ezek a "mozgatók" a negatív elektródától a pozitív felé haladnak vissza.
Mivel a lítium-ionok állandóan ide-oda "hintáznak" a pozitív és negatív elektródák között, a tudósok a lítium{0}}ion akkumulátorokat egy élénk becenévvel ruházták fel: "hinta{1}}székelemek".
Ez az oda-vissza mozgás rejti a lítium-ion akkumulátorok feltöltésének és kisütésének teljes titkát.
Töltés: A lítium-ionok "terelése" a negatív elektródára tárolás céljából
[Kép]
Töltéskor az akkumulátort töltőre csatlakoztatjuk.
Amint a külső áramforrás csatlakoztatva van, a pozitív elektródán lévő elektronok mozognak először; a külső áramkörön keresztül a negatív elektróda felé "nyomódnak". Amint az elektronok távoznak, a pozitív elektródán lévő lítium-ionok "kiugrnak", hogy kövessék őket. Ezek a pozitív töltésű lítium-ionok beugranak az elektrolitba, és "átúsznak" a szeparátor tekercses, mikroszkopikus pórusain, és eljutnak a negatív elektródához.
A negatív elektródához érve a lítium-ionok nem tudnak egyszerűen azonnal „beköltözni”. A negatív elektróda felületét egy láthatatlan réteg borítja, amely SEI (Solid Electrolyte Interphase) filmként ismert. Ez a film egyedülálló: átengedi a lítium-ionokat, de blokkolja az elektronokat. A lítium-ionoknak először át kell hatolniuk ezen a filmen, mielőtt megfelelő helyet találnának a negatív elektróda anyagában való „leülepedéshez”.
Ahogy a töltés folytatódik, egyre több lítium-ion ágyazódik be a negatív elektródába. Minél több lítium van a negatív elektródában, annál nagyobb az akkumulátor kapacitása. Ezzel egyidejűleg a negatív elektróda potenciálja fokozatosan csökken, míg a pozitív elektródáé emelkedik, ami az akkumulátor teljes feszültségének lassú növekedését okozza. Miután a pozitív elektródáról a lítium-ionok többsége a negatív elektródára vándorolt, a töltési folyamat befejeződik.
Kisütés: A lítium-ionok „visszafutnak”, hogy munkába álljanak
Bevezetés az akkumulátor-rendszerekbe (I. rész): Anyagösszetétel és lítium{0}}ion akkumulátorok töltési/kisütési folyamatai – CSDN Blog
A kisütés az a folyamat, amikor az akkumulátort a mindennapi életben használjuk,{0}}a mobiltelefon képernyőjének megvilágítása vagy az elektromos jármű táplálása teljes mértékben ettől a lépéstől függ.
A kisülés során a negatív elektródába ágyazott lítium-ionok elszabadulnak és kifelé mozognak. Mivel a lítium-ionok pozitív töltést hordoznak, távozásuk miatt a negatív elektród elveszti a pozitív töltést; az elektromos semlegesség fenntartásához a negatív elektródának egyidejűleg elektronokat kell veszítenie. Az elektronok azonban nem tudnak áthaladni az akkumulátor belsején,{2}}a szeparátor átengedi a lítium-ionokat, de blokkolja az elektronokat.
Ezért az elektronoknak más utat kell bejárniuk: a negatív elektródától kezdve a külső áramkörön keresztül egészen a pozitív elektródáig haladnak.
Az elektronok utazása a külső áramkörön nem pusztán a látszat,{0}}az út során munkát végeznek. Az ezeknek az elektronoknak az áthaladása során „munkálása során” felszabaduló energiája működteti a mobiltelefon képernyőjét vagy forgatja az elektromos jármű motorját.
És mi a helyzet a lítium-ionokkal? A negatív elektródáról "ugranak" az elektrolitba, "átúsznak" a szeparátoron, és visszatérnek a pozitív elektródához. Megérkezésükkor találkoznak a külső áramkörön keresztül utazott elektronokkal, és a kettő újraegyesül.
Minél több lítium-ion tér vissza a pozitív elektródára, annál nagyobb az akkumulátor kisülési kapacitása. A folyamat során a negatív elektróda potenciálja emelkedik, míg a pozitív elektródáé csökken, ami az akkumulátor feszültségének fokozatos csökkenését okozza.
Elektronok és lítium-ionok: különböző szerepek, mindkettő nélkülözhetetlen
Mostanra valószínűleg rájött, hogy a lítium{0}}ion akkumulátor működése az elektronok és a lítium-ionok közötti munkamegosztáson és együttműködésen múlik.
A lítium-ionok oda-vissza mozognak az akkumulátor belsejében,{0}}a töltés során a negatív elektródához, a kisütés során pedig a pozitív elektródához mozognak. Az elektronok áthaladnak a külső áramkörön, -a töltés során a pozitívról a negatív elektródára tolják, és a negatívról a pozitív elektródára áramlanak, hogy kisütés közben munkát végezzenek.
Ugyanaz az irány és a cél, de különböző utakon haladnak. A lítium-ionok a „víz útvonalat” (elektrolit és szeparátor), míg az elektronok a „szárazföldi utat” (külső áramkör) választják. Pontosan ez a munkamegosztás teszi lehetővé az akkumulátor számára az energia tárolását és felszabadítását. Miért nem használhatunk nagy-áramú gyorstöltést?
Manapság mindenki gyors töltést szeretne{0}}gondoljon az okostelefonokra, amelyek „öt perc töltést biztosítanak két órányi beszélgetési időért”, vagy az elektromos járművekre, amelyek „tíz perc töltést ígérnek több száz mérföldes hatótávért”. A lítium-ionos akkumulátorokat azonban nem lehet egyszerűen tetszés szerint gyorsan feltölteni.
A nagy{0}}áramú gyorstöltéssel kapcsolatos legnagyobb kockázat a negatív elektróda (anód) „lítiumozása”.
Ez mit jelent? A töltés során a lítium-ionok a pozitív elektródáról (katódról) a negatív elektródára jutnak, áthaladnak a SEI (Solid Electrolyte Interphase) rétegen, és a negatív elektród anyagán belül találnak egy helyet, ahol "betelepülhetnek". Ez a folyamat eleve nehéz: az ionoknak át kell haladniuk az elektroliton, át kell jutniuk a szeparátor apró pórusain, át kell haladniuk a SEI rétegen, és végül megfelelő helyet kell találniuk a negatív elektróda anyagában.
Ha a töltőáram túl magas, a lítium-ionok túl gyorsan rohannak be, hogy megfelelő "ágyat" találjanak a negatív elektródánál. Azok az ionok, amelyek nem épülnek be időben, egyszerűen felhalmozódnak a negatív elektróda felületén, és egy szürke fémes lítiumréteget képeznek.
Beszélgetés a lítium-dendritek kialakulásának mechanizmusáról és megelőzéséről – Lítium akkumulátorok – Battery China
Ez a fémes lítiumréteg faszerű{0}}kristályokká nőhet, amelyeket „lítium-dendriteknek” neveznek. A lítium-dendritek veszélyesek; átszúrhatják a szeparátort, ami közvetlen érintkezést okoz a pozitív és negatív elektródák között, és belső rövidzárlatot eredményezhet. A rövidzárlat az akkumulátor hőmérsékletének megugrását okozza; a szeparátor megolvad és összezsugorodik a nagy melegben, ami tüzet vagy akár robbanást okozhat.
Ezért nem lehet egyszerűen önkényesen növelni a töltőáramot. Olyan tényezők, mint a negatív elektróda anyagának diffúziós sebessége, az elektrolit koncentrációja és a szeparátor porozitása, mind korlátozzák a lítium-ionok migrációjának sebességét. Amelyik lépés a leglassabb, az lesz a szűk keresztmetszet, és ez a szűk keresztmetszet általában a negatív elektródánál található.
Hol van az akkumulátor "Achilles-sarka"?
Ha megérti a mögöttes alapelveket, rá fog jönni, hogy a lítium{0}}ion akkumulátorokkal kapcsolatos számos probléma a „költözési” folyamatból fakad:
A kapacitás elhalványulása: Mivel a pozitív és negatív elektródák anyagai idővel ismételten „befogadják” a lítium-ionokat, szerkezetük összeomolhat, és az útvonalak elzáródhatnak, így kevesebb „ágy” marad az ionok befogadására.
Teljesítményveszteség alacsony hőmérsékleten: Amikor a hőmérséklet csökken, az elektrolit viszkózusabbá válik, ami megnehezíti a lítium-ionok „átúszását” rajta.
A gyors töltés károsítja az akkumulátort: A nagy áramerősség megakadályozza, hogy a lítium-ionok elég gyorsan "belépjenek", így felhalmozódnak a felületen, és lítium bevonatot képeznek. A SEI réteg egy kétélű kard: miközben megvédi az anódot az elektrolit általi lebomlástól, képződése felemészti a lítium-ionok egy részét, ami kapacitásvesztést eredményez a kezdeti töltés során.
Végső soron a lítium-{0}}ion akkumulátor-technológia a sebesség és a biztonság, valamint a kapacitás és az élettartam közötti egyensúly megteremtéséről szól. A gyors töltés magában foglalja a lítiumbevonat kockázatát; a kapacitás maximalizálásához több lítium-ion befogadására van szükség, de a túlzsúfoltság veszélyeztetheti a szerkezeti stabilitást.
Néhány gondolat
A lítium{0}}ionos akkumulátorok évtizedek óta velünk vannak, a mobiltelefonoktól az elektromos járművekig mindent ellátnak, és néhány watt-órától több száz kilowatt{2}}óráig terjednek. Az alapelv azonban változatlan: a lítium-ionok oda-vissza ingáznak a katód és az anód között, míg az elektronok a külső áramkörön keresztül végzik a munkát.
A katód- és anódanyagok, az elektrolit-összetételek és a SEI-réteg-szabályozási technológiák valóban fejlődtek,{0}}mindegyik célja, hogy a lítium-ionok gyorsabbá, stabilabbá és biztonságosabbá váljanak.
Forrás: Internet
Vágó: Xiao Ai
Felhívás papírokért: A csúcstechnológiás, fejlett gyártóipar vezető szolgáltatási platformjaként az AMT örömmel fogadja a tudományos dolgozatok benyújtását. A közzététel teljesen ingyenes és non--profit. Beküldési e-mail: info@amtbbs.org
Szerzői jogi megjegyzés: Az AMT tiszteletben tartja a szerzői jogokat, és nagyra értékeli minden szerző kemény munkáját és kreativitását. A nyomon követhetetlen eredetű művek kivételével minden cikk végén hivatkozunk a forrásokra. Ha bármilyen tartalom-beleértve a cikkeket, videókat, képeket vagy szövegeket-, szerzői jogi problémákat okoz, kérjük, azonnal lépjen kapcsolatba velünk. A tulajdonjognak a benyújtott dokumentáción keresztül történő igazolását követően haladéktalanul eltávolítjuk a tartalmat, vagy a nemzeti szabványoknak megfelelően díjat fizetünk.
