Aku olemus on "liikuv mäng".
Liitium-ioonakusid võib kirjeldada kas keerukate või lihtsate, olenevalt sellest, kuidas te neid vaatate.
Põhimõtteliselt on kontseptsioon lihtne: keemiline energia ja elektrienergia muunduvad omavahel, kuna liitiumioonid liiguvad positiivse ja negatiivse elektroodi vahel edasi-tagasi.
Kuidas liitium{0}}ioonpatareid töötavad – keemia õpperuum (Ükski keskkooli keemiakontseptsioon pole käeulatuses!)
Liitiumioone võite kujutada kui usinate "liikujate" rühma. Laadimise ajal annab väline toiteallikas käsu, tõrjudes need positiivsest elektroodist välja; nad liiguvad läbi elektrolüüdi ja separaatori, et "sealduda" negatiivse elektroodi juures. Tühjenemise ajal protsess pöördub ja need "liikujad" liiguvad negatiivselt elektroodilt tagasi positiivsele.
Kuna liitiumioonid "kiiguvad" pidevalt positiivsete ja negatiivsete elektroodide vahel edasi-tagasi, on teadlased liitium{0}}ioonakudele andnud elava hüüdnime: "kiik{1}}tooliakud".
See edasi-tagasi{0}}--liikumine hoiab endas liitium-ioonakude laadimise ja tühjenemise kogu saladust.
Laadimine: liitiumioonide "karjatamine" negatiivsele elektroodile ladustamiseks
[Pilt]
Laadimisel ühendame aku laadijaga.
Niipea kui väline toiteallikas on ühendatud, hakkavad positiivse elektroodi elektronid esimesena liikuma; need "surutakse" läbi välise vooluringi negatiivse elektroodi poole. Kui elektronid lahkuvad, "hüppavad" positiivse elektroodi liitiumioonid neile järgnema. Need positiivselt laetud liitiumioonid hüppavad elektrolüüti ja "ujuvad" läbi separaatori mähise mikroskoopiliste pooride, jõudes negatiivse elektroodini.
Negatiivse elektroodi jõudmisel ei saa liitiumioonid lihtsalt kohe "sisse liikuda". Negatiivse elektroodi pind on kaetud nähtamatu kihiga, mida tuntakse SEI (Solid Electrolyte Interphase) kilena. See kile on ainulaadne: see laseb liitiumioonidel läbi, kuid blokeerib elektronid. Liitiumioonid peavad esmalt selle kile läbima, enne kui leiavad negatiivse elektroodi materjali sees sobiva koha, mis "astuda".
Laadimise jätkudes kinnistub negatiivsesse elektroodi üha rohkem liitiumioone. Mida rohkem liitiumi on negatiivsesse elektroodi, seda suurem on aku mahutavus. Samal ajal langeb negatiivse elektroodi potentsiaal järk-järgult, samal ajal kui positiivse elektroodi potentsiaal tõuseb, põhjustades aku üldise pinge aeglaselt tõusu. Kui suurem osa positiivse elektroodi liitiumioonidest on migreerunud negatiivsele elektroodile, on laadimisprotsess lõppenud.
Tühjenemine: liitiumioonid "jooksevad tagasi", et tööle asuda
Sissejuhatus toiteakusüsteemidesse (I osa): materjali koostis ja liitium{0}}ioonakude laadimis-/tühjendusprotsessid – CSDN-i ajaveeb
Tühjenemine on protsess, mille käigus aku kasutatakse igapäevaelus{0}}mobiiltelefoni ekraani valgustamiseks või elektrisõiduki toiteks, sõltub täielikult sellest sammust.
Tühjenemise ajal purunevad negatiivsesse elektroodi manustatud liitiumioonid ja liiguvad väljapoole. Kuna liitiumioonid kannavad positiivset laengut, põhjustab nende lahkumine negatiivse elektroodi positiivse laengu kadumise; elektrilise neutraalsuse säilitamiseks peab negatiivne elektrood samal ajal elektrone kaotama. Kuid elektronid ei saa liikuda läbi aku sisemuse,{2}}separaator laseb liitiumioonidel läbida, kuid blokeerib elektronid.
Seetõttu peavad elektronid valima teistsuguse tee: alates negatiivsest elektroodist liiguvad nad läbi välise vooluringi kuni positiivse elektroodini.
Elektronide teekond läbi välise vooluringi ei ole mõeldud ainult näitamiseks,{0}}nad teevad oma tööd. Energia, mida need elektronid transpordi ajal "töötades" vabastavad, toidab mobiiltelefoni ekraani või pöörab elektrisõiduki mootorit.
Ja kuidas on lood liitiumioonidega? Nad "hüppavad" negatiivselt elektroodilt elektrolüüti, "ujuvad" üle separaatori ja naasevad positiivse elektroodi juurde. Saabumisel kohtuvad nad välise vooluringi kaudu liikunud elektronidega ja need kaks rekombineeruvad.
Mida rohkem liitiumioone positiivsele elektroodile naaseb, seda suurem on aku tühjendusvõime. Selle protsessi käigus negatiivse elektroodi potentsiaal tõuseb, positiivse elektroodi potentsiaal aga langeb, mistõttu aku pinge järk-järgult väheneb.
Elektronid ja liitiumioonid: erinevad rollid, mõlemad olulised
Nüüdseks olete tõenäoliselt aru saanud, et liitiumioonaku{0}}töö sõltub elektronide ja liitiumioonide tööjaotusest ning koostööst.
Liitiumioonid liiguvad aku sees edasi-tagasi,{0}}liikudes laadimise ajal negatiivse elektroodi ja tühjenemise ajal positiivse elektroodi poole. Elektronid liiguvad läbi välise vooluringi, -mis lükatakse laadimise ajal positiivselt negatiivsele elektroodile ja voolavad negatiivselt positiivsele elektroodile, et täita tühjenemise ajal tööd.
Neil on sama suund ja eesmärk, kuid nad liiguvad mööda erinevaid teid. Liitiumioonid liiguvad "vee teed" (elektrolüüt ja separaator), elektronid aga "maatee" (välisahel). Just selline tööjaotus võimaldab akul nii energiat salvestada kui ka vabastada. Miks me ei saa kasutada kõrget-voolu kiirlaadimist?
Kõik tahavad tänapäeval kiiret laadimist{0}}mõelge nutitelefonidele, mis pakuvad "viis minutit laadimist kahe tunni kõneaja jaoks" või elektrisõidukitele, mis lubavad "kümme minutit laadimist sadade miilide leviala jaoks". Liitium-ioonakusid ei saa aga lihtsalt suvaliselt kiiresti laadida.
Suure{0}}voolu kiirlaadimisega seotud suurim oht on negatiivse elektroodi (anoodi) liitiumplaatimine.
Mida see tähendab? Laadimise ajal liiguvad liitiumioonid positiivselt elektroodilt (katoodilt) negatiivsele elektroodile, läbivad SEI (Solid Electrolyte Interphase) kihi ja leiavad negatiivse elektroodi materjali sees koha, kus "selgeneda". See protsess on oma olemuselt keeruline: ioonid peavad läbima elektrolüüdi, läbima separaatori pisikesed poorid, ületama SEI kihi ja lõpuks leidma sobiva koha negatiivse elektroodi materjali sees.
Kui laadimisvool on liiga suur, tormavad liitiumioonid liiga kiiresti sisse, et leida negatiivse elektroodi juurest sobiv "voodi". Ioonid, mis ei suuda end õigeaegselt kinnistada, kuhjuvad lihtsalt negatiivse elektroodi pinnale, moodustades halli metallilise liitiumikihi.
Arutelu liitiumdendriitide tekkemehhanismi ja ennetamise teemal – Liitiumpatareid – Battery China
See metallilise liitiumi kiht võib kasvada puutaolisteks{0}}kristallideks, mida nimetatakse liitiumdendriitideks. Liitiumdendriidid on ohtlikud; need võivad separaatori läbi torgata, põhjustades otsese kontakti positiivse ja negatiivse elektroodi vahel ning põhjustades sisemise lühise. Lühis põhjustab aku temperatuuri järsu tõusu; separaator sulab ja kahaneb suure kuumuse käes, mis võib põhjustada tulekahju või isegi plahvatuse.
Seetõttu ei saa laadimisvoolu lihtsalt meelevaldselt suurendada. Sellised tegurid nagu negatiivse elektroodi materjali difusioonikiirus, elektrolüüdi kontsentratsioon ja separaatori poorsus piiravad liitiumioonide migratsiooni kiirust. Kumb samm on kõige aeglasem, muutub kitsaskohaks ja see kitsaskoht asub tavaliselt negatiivse elektroodi juures.
Kus on aku "Achilleuse kand"?
Kui mõistate aluspõhimõtteid, mõistate, et paljud liitium-ioonakudega seotud probleemid tulenevad sellest "kolimise" protsessist:
Võimsus tuhmub: kuna positiivsed ja negatiivsed elektroodide materjalid "hobuvad" aja jooksul korduvalt liitiumiioone, võivad nende struktuurid kokku kukkuda ja teed võivad ummistuda, jättes ioonide mahutamiseks vähem "voodeid".
Võimsuskadu madalatel temperatuuridel: kui temperatuur langeb, muutub elektrolüüt viskoossemaks, mistõttu liitiumioonidel on raske sellest läbi ujuda.
Kiirlaadimine kahjustab akut: suured voolud ei lase liitiumioonidel piisavalt kiiresti "sisse registreerida", põhjustades nende pinnale kogunemise ja liitiumioonide moodustumise. SEI kiht on kahe teraga mõõk: kuigi see kaitseb anoodi elektrolüüdi poolt põhjustatud lagunemise eest, kulutab selle moodustumine osa liitiumioonidest, mille tulemuseks on võimsuse vähenemine esialgse laadimise ajal.
Lõppkokkuvõttes seisneb liitium{0}}ioonakude tehnoloogia tasakaalu leidmine kiiruse ja ohutuse, aga ka mahu ja eluea vahel. Kiire laadimisega kaasneb liitiumkatte oht; võimsuse maksimeerimiseks on vaja rohkem liitiumiioone, kuid ülerahvastatus võib kahjustada struktuuri stabiilsust.
Mõned mõtted
Liitium-ioonakud on olnud meiega aastakümneid, andes toite kõike alates mobiiltelefonidest kuni elektrisõidukiteni ja ulatudes mõnest vatt-tunnist sadade kilovatt-tundideni. Põhiprintsiip jääb siiski muutumatuks: liitiumioonid liiguvad katoodi ja anoodi vahel edasi-tagasi, samal ajal kui elektronid teevad tööd välise vooluahela kaudu.
Tõeliselt arenenud on katood- ja anoodimaterjalid, elektrolüütide koostised ja SEI kihi juhtimistehnoloogiad,{0}}mille eesmärk on muuta liitiumioonide{1}}süstik kiiremaks, stabiilsemaks ja ohutumaks.
Allikas: Internet
Toimetaja: Xiao Ai
Call for Papers: kõrgtehnoloogilise kõrgtehnoloogilise tootmistööstuse juhtiva teenindusplatvormina võtab AMT vastu akadeemiliste dokumentide esitamise. Väljaanne on täiesti tasuta ja mittetulunduslik. Esitamise meil: info@amtbbs.org
Autoriõigus: AMT austab autoriõigusi ning hindab iga autori rasket tööd ja loovust. Välja arvatud otsimatu päritoluga teosed, viitame iga artikli lõpus allikatele. Kui mis tahes sisu -sh artiklid, videod, pildid või tekst-kaasab autoriõigustega seotud probleeme, võtke meiega viivitamatult ühendust. Pärast omandiõiguse kontrollimist esitatud dokumentide kaudu eemaldame sisu viivitamatult või maksame tasu vastavalt riiklikele standarditele.
