Litija akumulatoru darbības principi: uzlādes process, izlādes process un akumulatora pārsega plāksne

Mūsdienu enerģijas uzglabāšanas jomā litija baterijas kā ļoti efektīvs sekundārais akumulators ir plaši izmantotas elektroniskajās iekārtās, elektriskajos transportlīdzekļos, saules enerģijas uzglabāšanas sistēmās un citās jomās. Litija bateriju darbības princips ir balstīts uz litija jonu migrāciju starp pozitīvo un negatīvo elektrodu, lai saglabātu un atbrīvotu lādiņu. Šajā rakstā tiks sistemātiski analizēta litija bateriju pamatstruktūra, uzlādes un izlādes process un galvenās strukturālās sastāvdaļas. Prismatic Lithium Battery Annexe ir svarīga prizmatisko litija akumulatoru sastāvdaļa, un tā konstrukcija un ražošanas kvalitāte ir tieši saistīta ar akumulatora blīvējumu un drošību.

Litija baterijas sastāv no četrām galvenajām sastāvdaļām: pozitīvā elektroda (katoda), negatīvā elektroda (anoda), elektrolīta un separatora. Katodā parasti tiek izmantoti litija -saturoši oksīdu materiāli-, piemēram, litija kobalta oksīds, litija mangāna oksīds vai litija dzelzs fosfāts, -kas spēj atgriezeniski interkalēt un de{4}interkalēt litija jonus. Anodā parasti tiek izmantoti materiāli uz oglekļa{6}} (piemēram, grafīts) vai litija metāls, kas var absorbēt un atbrīvot litija jonus. Elektrolīts kalpo kā jonu -vadoša vide-šķidra vai cieta,{10}}veicinot jonu vadītspēju, vienlaikus elektriski izolējot katodu un anodu, lai novērstu elektronu plūsmu starp tiem. Atdalītājs ir porains izolācijas materiāls, kas novietots starp elektrodiem; tas novērš tiešu kontaktu (un līdz ar to īssavienojumus), vienlaikus ļaujot litija joniem migrēt pa tā porām.

Akumulatora iepakojuma struktūrā prizmatiska akumulatora elementa augšējais vāks veic vairākas funkcijas, tostarp blīvējumu, izolāciju un spiediena samazināšanu. Vāks ir lāzera-metināts pie akumulatora korpusa, lai izveidotu hermētisku blīvējumu, novēršot elektrolīta noplūdi un bloķējot ārējā mitruma un skābekļa iekļūšanu. Augšējais vāks, kas parasti integrē galvenās funkcijas, piemēram, pozitīvo spaili, elektrolīta uzpildes portu un drošības spiediena samazināšanas vārstu, ir būtiska sastāvdaļa, lai nodrošinātu akumulatora hermētisku integritāti un drošību.

Uzlādes procesā litija akumulatora pozitīvajos un negatīvajos elektrodos notiek elektroķīmiskās reakcijas. Kad tiek pielietots ārējs spriegums, litija joni (Li⁺) tiek ekstrahēti no pozitīvā elektroda materiāla kristāliskā režģa, atbrīvojot elektronus. Šie litija joni migrē caur elektrolītu un separatoru uz negatīvo elektrodu, savukārt elektroni caur ārējo ķēdi plūst no pozitīvā uz negatīvo elektrodu, radot lādēšanas strāvu. Pie negatīvā elektroda litija joni interkalējas oglekļa materiāla slāņveida struktūrā, savienojas ar elektroniem un tiek glabāti materiālā atomu stāvoklī. Šis process turpinās, līdz visi ekstrahējamie litija joni ir migrējuši no pozitīvā uz negatīvo elektrodu vai akumulators sasniedz uzlādes beigu spriegumu.

Uzlādei turpinoties, potenciālā atšķirība visā akumulatorā palielinās un uzkrātā ķīmiskā enerģija palielinās. Lai nodrošinātu drošību, litija akumulatoros tiek izmantotas īpašas uzlādes vadības shēmas, lai regulētu strāvu un spriegumu, novēršot tādas problēmas kā pozitīvā elektroda strukturālā sabrukšana, elektrolītu sadalīšanās vai litija metāla pārklājums, ko izraisa pārlādēšana. Kad akumulatora elementi ir salikti komplektā, alumīnija akumulatora kastes vāks nodrošina konstrukcijas aizsardzību un siltuma pārvaldības saskarnes, nodrošinot moduļa strukturālo integritāti un efektīvu siltuma izkliedi uzlādes laikā.

Kad litija akumulators izlādējas, reakcija notiek pretējā virzienā. Negatīvā elektrodā glabātie litija joni izkliedējas no oglekļa materiāla slāņiem un caur elektrolītu un separatoru migrē atpakaļ uz pozitīvo elektrodu. Tajā pašā laikā elektroni caur ārējo ķēdi plūst no negatīvā uz pozitīvo elektrodu, piegādājot elektrisko enerģiju ārējai slodzei. Pie pozitīvā elektroda litija joni re{4}}interkalējas elektroda materiāla kristāliskajā režģī un savienojas ar elektroniem, veidojot stabilus litija savienojumus. Šis process turpinās, līdz potenciālā starpība starp elektrodiem samazinās līdz izlādes beigu spriegumam vai litija jonu koncentrācija akumulatorā sasniedz līdzsvaru.

Atkārtota litija jonu migrācija starp pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem uzlādes-izlādes ciklu laikā ir pazīstama kā "šūpuļkrēsla" mehānisms, tāpēc litija baterijas bieži dēvē par "šūpuļkrēsla{2} akumulatoriem". Šim darbības mehānismam ir nepieciešams, lai elektrodu materiāliem būtu izcila strukturālā stabilitāte un jonu vadītspēja, lai saglabātu augstas jaudas saglabāšanu simtiem līdz tūkstošiem ciklu. Akumulatora iepakojumā litija{5}}jonu akumulatoru vāka plāksnēs tiek izmantota augstas-precizitātes štancēšana un izolācija, lai nodrošinātu elektrisko izolāciju un blīvējumu starp pozitīvajiem un negatīvajiem spailēm un akumulatora korpusu, tādējādi novēršot iekšējos īssavienojumus un ārēju noplūdi.