Задълбочен анализ на характеристиките на напрежението на литиево-йонните батерии

Литиево-йонните батерии са от решаващо значение за съвременните системи за съхранение на енергия, които се използват широко в преносими електронни устройства, електрически превозни средства и системи за възобновяема енергия. Разбирането на характеристиките на напрежението на литиево-йонните батерии е от съществено значение за оптимизиране на тяхната производителност и дълготрайност. Основните параметри на напрежението на литиево-йонните батерии, включително напрежението на платформата, напрежението на средния обхват, средното напрежение и напрежението на прекъсване, играят решаваща роля по време на циклите на зареждане и разреждане. В тази статия е представен подробен анализ на тези параметри и тяхното въздействие върху работата на батерията.

1. Напрежение на платформата

Напрежението на платформата се отнася до стойността на напрежението, при която промяната в напрежението е минимална, докато капацитетът се променя значително. Батериите с материали като литиев железен фосфат (LiFePO₄) и литиев титанат (Li₄Ti₅O₁₂) показват ясни платформени напрежения, които лесно се разпознават на кривата заряд-разряд. При другите типове батерии платформеното напрежение е по-малко видимо и може да се определи чрез диференциални изчисления (пикове dQ/dV) по време на изпитването.

2. Напрежение в средния диапазон

Напрежението в средния диапазон съответства на стойността на напрежението, когато капацитетът на батерията е 50%. За материали с ясно изразени платформени напрежения, като LiFePO₄ и Li₄Ti₅O₁₂, напрежението в средния обхват обикновено съответства на напрежението на платформата. То е съществен параметър за оценка на работата на батерията по време на употреба.

3. Средно напрежение

Средното напрежение се изчислява, като ефективната площ под кривата напрежение-капацитет се раздели на капацитета. То дава средна изходна енергия и се използва за оценка на енергийната плътност. Формулата е следната: U‾=∫U(t)⋅I(t)dt∫I(t)dt\overline{U} = \frac{\int U(t) \cdot I(t) dt}{\int I(t) dt}U=∫I(t)dt∫U(t)⋅I(t)dt

Енергийната плътност се изчислява и чрез използване на средното напрежение:Енергийна плътност=Капацитет×U‾Маса или обем на батерията\text{Енергийна плътност} = \frac{\text{Капацитет} \times \overline{U}}{\text{Маса или обем на батерията}}Енергийна плътност=Маса или обем на батериятаКапацитет×U

4. Напрежение на прекъсване

Напрежението на прекъсване определя минималното допустимо напрежение по време на разряд и максималното допустимо напрежение по време на зареждане. Превишаването на тези граници може да доведе до свръхразряд или свръхзаряд, да повреди батерията и да намали нейния живот.

5. Основи на напрежението на батерията

Напрежението на литиево-йонната батерия се определя от потенциалната разлика между положителните и отрицателните електроди, която се променя по време на циклите на зареждане и разреждане. Тези промени се влияят от използваните материали и съответните им електродни потенциали.

6. Напрежение на отворена верига

Напрежението при отворена верига се отнася до потенциалната разлика между електродите, когато не протича ток. То се използва за характеризиране на равновесното състояние на батерията и може да бъде измерено чрез настройка на полуклетка, използваща литиев метал.

7. Поляризация на батерията и вътрешно съпротивление

Поляризацията настъпва, когато потенциалът на електрода се отклонява от равновесната си стойност поради протичането на ток. Трите основни вида поляризация са омична, концентрационна и електрохимична поляризация. Те могат да увеличат вътрешното съпротивление, намалявайки ефективността на батерията по време на разряди с голям ток.

8. Фактори, влияещи върху поляризацията

• Електролитна проводимост: Лошата проводимост увеличава поляризацията при разряд с голям ток.
• Размер на частиците на материала на електрода: По-големите частици намаляват ефективността на йонната дифузия.
• Проводими добавки: Недостатъчното количество проводящи агенти увеличава вътрешното съпротивление.
• Дизайн на електрода: По-дебелите електроди или високата плътност на уплътняване могат да възпрепятстват движението на йоните.

9. Заключение

Характеристиките на напрежението на литиево-йонните батерии се влияят от електрохимичните реакции, свойствата на материалите и структурния дизайн. Разбирането на тези параметри е от ключово значение за оптимизиране на дизайна и използването на батерията. Чрез управление на поляризацията и подобряване на свойствата на материалите е възможно значително да се подобрят характеристиките и продължителността на живота на батерията.