Емкость аккумулятора является важным параметром, и его значение определяется емкостью материала положительного электрода, емкостью отрицательного электрода, отрицательным потенциалом электродного потенциала электрода и потенциалом электрода. В процессе проектирования батареи они должны быть тщательно рассмотрены. Это исследование автора. Примечание для конструкции аккумулятора.
На рис. 5.1 показана емкость полуэлементов катодного материала из литиевого оксида металла для лития. Когда аккумулятор заряжен, материал положительного электрода удаляет атомы лития и сопровождает изменение кристаллической структуры. Теоретическая емкость материала электрода предполагает, что ионы лития в материале вовлечены в электрохимическую реакцию. Емкость, которая может быть обеспечена, то есть атомы лития в материале положительного электрода, полностью разряжается во время зарядки, и фактически коэффициент деинтеркаляции ионов лития меньше 1, фактическая емкость материала = коэффициент извлечения лития × теоретическая емкость, такая как теоретическая емкость оксида кобальта лития 274 мАч / г. Фактическая емкость составляет 140 мАч / г, а коэффициент извлечения литиевого иона составляет около 0,5. Серая часть рисунка не показывает части мощности, участвующей в электрохимической реакции. Кроме того, даже если экстрагированные атомы лития все еще малы, они не могут быть возвращены. К исходной структуре эта часть не может быть возвращена в исходную структуру емкости - это необратимая емкость материала катода. Это значение связано со многими переменными, такими как тип металлических элементов, отношение атомного радиуса лития и металлических элементов, размер частиц и т. Д. В общем, Первая необратимая емкость LiCoO2 составляет 3-5 мАч / г, а материал LiNiO2 - 20-30 мАч / г. Происходит один или два цикла зарядки / разрядки. Кулоновская эффективность близка к 100%.
На рис. 5-2 показана схема полуэлементной емкости отрицательного электродного материала на основе углерода на литиевой пластине. Материал из графитового отрицательного электрода реагирует с литием с получением LiC6 с теоретической емкостью 372 мАч / г, тогда как реакция фактически генерирует LixC6 (x<1) , 石墨负极实际客容量一般360 mAh/g, 图中灰色部分即没有参与电化学反应的容量部分. 石墨负极的首次不可逆容量主要是由于电解液在负极表面形成SEI膜消耗锂离子造成的, 导致部分锂离子嵌入负极材料之后无法再次脱出返回金属锂电极. 这个不可逆容量与材料结晶度, 结构, 比表面积和颗粒粒径等相关. 商业化的石墨负极不可逆容量一般为20-30 mAh/g. 两个充电/放电周期后, 库仑效率也是接近100%.
Для полной батареи как положительные, так и отрицательные материалы имеют первоначальную необратимую емкость. Емкость аккумулятора можно проиллюстрировать на схеме, показанной на рисунке 5-3. Во время начальной зарядки литий высвобождается из материала положительного электрода, а часть его расходуется для образования слоя SEI на поверхности отрицательного электрода. При первоначальной необратимой реакции во время последующего процесса разряда емкость батареи будет появляться в двух случаях в зависимости от разницы между положительной и отрицательной необратимыми емкостями. Предполагается, что необратимая гостевая мощность материала положительного электрода составляет Fc, а вес живого материала - Mc, отрицательный электрод - необратимая граммовая емкость Для Fa вес живого вещества составляет Ma. Когда Fc * Mc < Fa*Ma, 即正极材料的不可逆容量小于负极不可逆容量时, 放电后负极返回到正极的锂不足以填充正极的容量, 正极部分容量无法得到充足的锂供应, 电池容量受到负极材料限制. 相反, 当Fc*Mc > Fa * Ma, т. Е. Когда необратимая емкость материала положительного электрода больше необратимой емкости отрицательного электрода, литий, подаваемый с отрицательного электрода после разряда, является достаточным, но необратимая емкость положительного электрода высока, обратимая емкость положительного электрода ограничена, а часть лития остается на стороне отрицательного электрода, и может произойти осаждение лития. Поэтому конструкция емкости аккумулятора ограничена первоначальными необратимыми свойствами материала электрода.
Как показано на рисунке 5-4, напряжение батареи представляет собой разность потенциалов между положительным и отрицательным электродами. Напряжение батареи должно быть спроектировано на основе напряжения разомкнутой цепи положительного и отрицательного электродов. Необходимо всесторонне рассмотреть различные условия, такие как температура заряда и разряда и глубина разряда. При таком же напряжении присущее электрохимическое поведение положительного и отрицательного электродов также может быть разным. Баланс заряда батареи зависит не только от потенциала электрода, но и от отношения положительного и отрицательного электродов в батарее.
Баланс потенциала в батарее схематически показан на рисунках 5-5 и 5-6. На рисунке 5-5 показан процесс изменения баланса заряда батареи при увеличении начальной необратимой емкости положительного электрода. На рис. 5-6 показано начальное значение отрицательного электрода. Когда необратимая емкость увеличивается, изменяется потенциальный баланс батареи. Этот процесс настройки конструкции батареи может быть достигнут путем регулировки отношения мощности положительного и отрицательного электродов, что эквивалентно добавлению избыточного лития в положительном или отрицательном электроде, чтобы компенсировать необратимую емкость отрицательного или положительного электрода. Эта проектная корректировка потенциального баланса тесно связана с характеристиками аккумуляторной батареи, напряжением и безопасностью и должна быть тщательно рассмотрена.
В конструкции емкости батареи, важный критерий является отрицательным должен иметь больший обратимый потенциал, чем положительные. Несмотря на отрицательных емкостях электрода более часов, батарея может иметь некоторые преимущества, такие как емкость батареи, тем не менее, может произойти во время зарядки литий в отрицательном дендритные проблемы безопасности осаждения поверхность вызывает показанные на рисунке 5-7, если отрицательный электрод исходного соотношение емкости положительного электрода установлено в 1, то есть, так называемый коэффициент N / P (отрицательный электрод первоначальной мощность / начальная емкость положительного электрода), предполагая, что положительный и отрицательный электрод имеет ту же самую начальную необратимую емкость, емкость батареи также 80 мА. даже с большей емкостью положительного электрода, емкость батареи будет ограничена небольшим диапазон мощности. с другой стороны, если отрицательный электрод, используя больший необратимый Емкость и отрицательный электрод, когда исходный коэффициент мощности положительного электрода равен 1,5, емкость аккумулятора уменьшается до 70 мА. Это означает, что отношение N / P необходимо правильно отрегулировать, чтобы избежать этого эффекта.
Когда соотношение / P N жизненного цикла батареи также зависит. Емкость распад может быть связан с реакцией между положительным электродом, отрицательным электродом, электролитом и сепаратором производством. Постоянное отношением N / P было равно 1,1, отрицательный электрод предполагается, что первоначальная необратимая емкость положительного электрода больше и на фиги. 5-8 и 5-9 иллюстрируют эффекты деградации положительного электрода и отрицательной деградации электрода жизни и безопасности батареи цикла. Если предположить, что каждые 100 циклов положительного электрода необратимой реакции приводит к снижению емкости при 10 мА, результатов Как показано на рисунке 5-8. В начале, когда емкость батареи составляет 78 мА, даже после того, как положительный электрод разлагается на 100 циклов, отношение N / P равно 1,1, а фактическая емкость батареи составляет 88 мА, после 200 циклов, Отношение N / P ниже 1. Литий начинает осаждаться на отрицательном электроде, а емкость аккумулятора составляет 88 мАч. Однако безопасность литиевой батареи серьезно угрожает.
Как показано на рис. 5-9, необратимая реакция отрицательного электрода приводила к уменьшению емкости 10 мА на 100 циклов. Для отношения N / P 1,1 предполагалось, что начальные необратимые мощности положительного и отрицательного электродов составляли соответственно 10 и 22 мА. Первоначальная емкость аккумулятора составляла 78 мА · ч. После 100 циклов положительное ослабление вызывало емкость 68 мА · ч. После 200 циклов отношение N / P было больше 1,1, а емкость аккумулятора снизилась до 58 мА · ч. Нет проблем с безопасностью, но емкость аккумулятора постепенно стирается.
