1. Risoluzione della tensione delle batterie agli ioni di litio
(1) Tensione del circuito aperto: si riferisce alla tensione della batteria agli ioni di litio quando non è in condizioni di lavoro. In questo stato, non esiste una corrente che scorre all'interno della batteria e la sua tensione è rappresentata dalla differenza potenziale tra gli elettrodi positivi e negativi. Quando la batteria è completamente carica, la tensione a circuito aperto è in genere intorno a 3,7 V e può arrivare a 3,8 V in alcuni casi.
(2) Tensione di lavoro: rispetto alla tensione del circuito aperto, è la tensione della batteria agli ioni di litio nello stato di lavoro. Al momento, esiste una corrente che scorre attraverso la batteria e quando la corrente passa attraverso, verrà ostacolata dalla resistenza interna, quindi la tensione di funzionamento è sempre inferiore alla tensione del circuito aperto quando è completamente carica.
(3) Tensione di terminazione: vale a dire la tensione critica alla quale la batteria non dovrebbe continuare a scaricare dopo che è stata scaricata a un determinato valore di tensione. Questo valore di tensione è determinato dalla struttura della batteria agli ioni di litio e, sotto l'azione della piastra di protezione, la tensione della batteria di solito si stabilizza a circa 2,95 V quando la scarica è terminata.
(4) Tensione standard: dal livello di principio, la tensione standard è anche nota come tensione nominale, che è il valore standard della differenza di potenziale generata dalla reazione chimica dei materiali di elettrodo positivi e negativi della batteria. La tensione nominale delle batterie agli ioni di litio è 3,7 V, il che mostra che la tensione standard è in realtà la tensione operativa nello stato standard.
A giudicare dalle quattro tensioni della batteria agli ioni di litio menzionate in precedenza, le tensioni coinvolte nello stato di lavoro sono la tensione standard e la tensione di lavoro; Quando non è nello stato di lavoro, la tensione viene riflessa come tensione del circuito aperto e tensione finale. Poiché la chimica delle batterie agli ioni di litio è ripetibile, devono essere caricate prontamente quando la tensione della batteria scende alla tensione di terminazione. Se non viene caricato per molto tempo, porterà a una significativa riduzione della durata della batteria e, nei casi più gravi, potrebbe anche essere demolito.
Durante l'intero processo di scarico, la curva di tensione della batteria agli ioni di litio può essere divisa in tre fasi:
2. La tensione delle batterie al litio è strettamente correlata al potenziale elettrodo dei materiali elettrodi positivi e negativi della batteria
La tensione delle batterie al litio varia a seconda del materiale, principalmente per i seguenti motivi:
(1) L'influenza delle proprietà chimiche dei materiali dell'elettrodo
Il processo di ricarica e scarico delle batterie al litio è essenzialmente il processo di ioni di litio che migrano tra elettrodi positivi e negativi e le proprietà chimiche dei materiali elettrodi sono i fattori core che determinano la tensione della batteria. Prendendo i materiali di catodo comune come esempio, l'elemento di cobalto nell'ossido di cobalto di litio (LICOO₂) ha un elevato potenziale redox, il che rende più facile rilasciare ioni di litio e elettroni di uscita quando si lavora. Se abbinato a un anodo di grafite, la tensione della batteria risultante può raggiungere circa 3,7 V. Il materiale del catodo fosfato di ferro al litio (LifePO₄), poiché il potenziale redox del ferro è inferiore a quello del cobalto, la tensione della batteria composta da anodo di grafite è generalmente stabile a circa 3,2 V. La causa principale di questa differenza di tensione sta nella differenza nella distribuzione e nella struttura chimica della nuvola di elettroni di diversi elementi, che a sua volta porta a differenze nella loro capacità di guadagnare e perdere elettroni e rilasciare ioni di litio.
(2) Cambiamenti di tensione causati dalle differenze della struttura cristallina
L'influenza della struttura cristallina del materiale sulla tensione della batteria al litio è ugualmente importante. I materiali ternari (Li (Nicomn) O₂) sono rappresentanti tipici e i tre elementi di nichel, cobalto e manganese ottimizzano la struttura cristallina del materiale attraverso un'azione sinergica, in modo che il percorso di diffusione degli ioni di litio sia più fluido e gli incorporati e i processi di fuga sono più fluidi. Se abbinato a un elettrodo negativo adatto, è possibile formare una piattaforma di tensione più elevata, in genere tra 3,6-3,7 V. Guardando l'ossido di manganese al litio (Limn₂o₄), la sua struttura di spinello ha il problema della dissoluzione degli ioni di manganese durante la carica e lo scarico, che ostacolerà la diffusione degli ioni di litio, con conseguente tensione di batteria relativamente bassa di circa 3,0 V. Ovviamente, le differenze nella struttura cristallina possono influire significativamente sulle prestazioni di trasporto degli ioni di litio nel materiale, che a sua volta ha un impatto sulla tensione della batteria.
(3) La relazione tra densità di energia e tensione
Esiste una forte correlazione tra la densità di energia del materiale dell'elettrodo e la tensione della batteria. I materiali con alta densità di energia sono in grado di archiviare più energia per unità di massa o volume, che di solito corrisponde a tensioni più elevate. Ad esempio, con l'aumento del contenuto di nichel, aumenta anche la densità di energia del materiale e la tensione della batteria. Ciò non solo migliora le prestazioni complessive della batteria, ma soddisfa anche alcuni scenari di applicazione che richiedono elevata energia. Tuttavia, i materiali della batteria al litio precoce, a causa della loro bassa densità di energia, non potevano immagazzinare energia sufficiente nell'unità e anche la corrispondente tensione era bassa, rendendo difficile soddisfare le esigenze di attrezzature moderne per alta energia e alta tensione.
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