Batri ki baze sou ityòm, si yo se pil eta solid oswa pil tradisyonèl ityòm-ion, gen estrikti menm jan an. Gen de elektwòd (pozitif ak negatif) ak yon separateur nan mitan. Pandan chaje, iyon imigre soti nan elektwòd pozitif (katod) nan elektwòd negatif (anod), epi pandan egzeyat, iyon imigre tounen ankò. Akòz enpèmeyab nan manbràn nan elektwon, elektwon yo pral pase nan chaj la konekte (tankou yon lanp) epi lakòz li nan limyè moute (espesyalman pou plis enfòmasyon sou konstriksyon batri eta solid, tanpri al gade isit la).
Ou ka itilize deskripsyon sa a pou eksplike poukisa kouran koule nan chay la, men li pa ase pou konprann ki kote enèji a soti. Se poutèt sa, li nesesè pou fè rechèch plis apwofondi sou fonksyon pil yo.
Fenèt vòltaj batri
Premyèman, li nesesè klarifye poukisa yo ka mezire vòltaj ki genyen ant elektwòd pozitif ak negatif yo. Fenèt vòltaj batri ki baze sou ityòm defini pa reyaksyon pasyèl nan elektwòd negatif ak pozitif, ak korespondan depann sou reyaksyon ki fèt la. Vòltaj mezirab nan de poto yon batri se diferans nan vòltaj ki te pwodwi pa chak elektwòd:
UOC=U-negative pole - U-poto pozitif
Vòltaj la nan elektwòd negatif ak pozitif yo se pa yon valè fiks, men depann sou eta a chaje nan batri a. Sepandan, valè fiks pou elektwòd yo souvan bay nan literati (egzanp LCO nan 3.9 V). Sa yo anjeneral koresponn ak vòltaj mwayèn.
Figi a montre kijan pou sòti vòltaj final batri a soti nan potansyèl elektwòd negatif ak pozitif (ki montre sou egzanp batri LCO|grafit la). Aks x la montre kantite ityòm pwopòsyonèlman mare nan elektwòd la. Pou yon batri plen (ideyal) x=1, pou yon batri vid x=0.
Vòltaj mezirab nan tèminal pozitif ak negatif yon batri pwodwi pa reyaksyon chimik ant ityòm ak elektwòd la. Sa ki anba la yo pral bay yon eksplikasyon plis detay lè l sèvi avèk LCO (ityòm cobalt oksid) elektwòd pozitif kòm yon egzanp. Figi 2 montre pwosesis egzeyat LCO|batri grafit. Sa a se yon batri ityòm-ion ak elektwolit likid. Nan prensip, konsepsyon sa a aplikab tou pou pil eta solid, byenke LCO ak grafit pi bon kalite kòm materyèl elektwòd yo atipik epi sèvi ak materyèl plis devlope (tankou Silisyòm grafit kòm elektwòd negatif ak NMC811 kòm elektwòd pozitif).
Se vòltaj ki te pwodwi pa ityòm ion chaje ak egzeyat pwosesis la nan elektwòd yo negatif ak pozitif. Reyaksyon yo montre nan figi a aplikab tou pou pil eta solid, men materyèl yo chwazi isit la pa tipik epi yo sèvi sèlman pou referans.
Pandan pwosesis egzeyat la, iyon ityòm imigre soti nan elektwòd negatif la nan elektwòd pozitif la. LCO se yon elektwòd pozitif ak yon estrikti kouch. Pandan pwosesis egzeyat la, ityòm intercalates ant kouch oksid cobalt yo. Ekwasyon reyaksyon ant ityòm ak oksid cobalt se jan sa a:
CoO2 + e– + Li+ → LiCoO2
Jenerasyon vòltaj ekstèn mezirab se akòz reyaksyon entèkalasyon ityòm nan chak kouch oksid kouch ak enèji ki lage pandan pwosesis èzotèrmik sa a. Avèk èd sa yo rele ekwasyon Nernst la, yo ka kalkile vòltaj yon mwatye selil ki baze sou konsantrasyon sibstans ki sou batri a:
Ured {{0}} U(0,wouj) – (RT / (ze F)) * ln( Wouj / Bèf)
U0,wouj: Potansyèl elektwòd (ka li nan tablo seri vòltaj elektwochimik)
R: Konstan gaz inivèsèl
T: Tanperati (Kelvin)
ze: Kantite elektwon transfere: Kantite elektwon transfere (ityòm gen yon sèl elektwon valens, kidonk isit la li se 1)
F: Faraday konstan
Wouj, bèf: Konsantrasyon divès reyaktif redox
Konsantrasyon an nan reyaktif redox varye ak chanjman nan eta chaj elektwòd. Se poutèt sa, vòltaj elektwòd pwodwi a se esansyèlman depann sou potansyèl elektwòd la, ki kalibre ki baze sou tanperati ak eta chaj. Li ta dwe fè remake ke kèk reyaksyon segondè rive tou nan batri a, ki afekte tou vòltaj la pwodwi, kidonk ekwasyon ki anwo a ka itilize sèlman kòm yon premye apwoksimasyon.
Akòz gwo depandans ekwasyon Nernst la sou potansyèl elektwòd, nou eseye chwazi eleman ki gen potansyèl elektwòd ki pi wo isit la. Eleman yo sou bò dwat tab peryodik la te rive nan yon pwopòsyon ki pi wo isit la paske reyon iyonik eleman yo te diminye, epi elektwon yo pi fò atire nwayo atomik la. Yon fòs nikleyè pi fò ap mennen nan yon potansyèl elektwòd ki pi wo.
Koneksyon sa a tou eksplike poukisa LCO (LixCoO2) ak NMC811 yo itilize kòm materyèl elektwòd pozitif. Pami metal tranzisyon yo, sa yo se konpoze ki gen pi wo vòltaj mwatye selil la.
Limitasyon nan fenèt vòltaj
Ranje vòltaj akseptab yon batri pa sèlman enfliyanse pa elektwòd yo, men tou limite pa fenèt elektwochimik elektwolit yo itilize a. Espesyalman elektwolit likid pa ka kenbe tèt ak vòltaj ki depase 4.5V, kòm reyaksyon parazit rive ant elektwòd la pozitif ak elektwolit la, ki mennen nan dekonpozisyon ralanti nan elektwolit la. Batri eta solid yo ka kapab simonte limit sa a nan tèm mwayen an. Pou egzanp, elektwolit oksid gen yon fenèt vòltaj patikilyèman lajè, pandan y ap elektwolit sulfid kapab tou kenbe tèt ak pi wo vòltaj ak adisyon nan kouch pwoteksyon adisyonèl.
Dezyèm limit enpòtan nan fenèt vòltaj la se ke li se anjeneral pa posib yo itilize konplè fenèt vòltaj fizik batri a. Pou katod LCO, li enposib fonn ityòm nan kouch cobalt la pa plis pase 70%, paske sa a febli estrikti mekanik katod la ak mennen nan aje akselere. Se poutèt sa, konpare ak Li / Li +, vòltaj la nan batri LCO limite a sa sèlman 4.2V. An tèm de elektwòd negatif la, anjeneral li pa posib pou retire tout iyon ityòm, kidonk kèk iyon ityòm toujou rete nan elektwòd negatif la, kidonk diminye kapasite maksimòm posib.
Detèminasyon kapasite batri a
Yo nan lòd yo bay maksimòm kapasite pou batri a, elektwòd negatif ak pozitif yo dwe ajiste byen pou ke pandan pwosesis la chaje, tout iyon ityòm ki soti nan elektwòd pozitif la ka jwenn yon kote depo nan estrikti nan elektwòd negatif. Pwopòsyon ant gwosè elektwòd negatif la ak gwosè elektwòd pozitif la rele rapò N/P, kote N dekri fraksyon mas nan elektwòd negatif la epi P dekri fraksyon mas nan elektwòd pozitif la. Akòz lefèt ke chak ityòm ion ki soti nan elektwòd pozitif la dwe jwenn yon pozisyon nan elektwòd negatif la, rapò gwosè N/P ≈ 1. Sepandan, li difisil pou iyon ityòm toujou jwenn yon pozisyon nan elektwòd negatif la. Pandan chaje rapid, iyon ityòm yo gen tandans depoze sou elektwòd negatif la (lityòm plating) paske yo pa ka byen vit jwenn pozisyon vid nan estrikti nan elektwòd negatif. Akòz ityòm plating se youn nan mekanis domaj prensipal pil yo, pwopòsyon elektwòd negatif yo yon ti kras ogmante (N/P ≈ 1.04-1.2), se konsa ke iyon pa gen pou fè rechèch pou pozisyon san fè anyen konsa pou twò lontan.
Kapasite divès kalite materyèl aktif anjeneral bay nan Ah / kg epi yo ka kalkile. Kalkil la sèlman konsidere materyèl aktif. Aditif chimik, sifas kontak, kouch pwoteksyon, elatriye yo inyore nan kalkil la nan elektwòd kapasite teyorik. Lè w ap kalkile, premye detèmine mas materyèl elektwòd la (an kg/mol). Valè sa a ka kalkile pa mas molè oswa jwenn nan yon tablo rechèch. Pou LCO, mas molè a se 0.09788 kg/mol. Nan dezyèm etap la, yo ka itilize konstan Avogadro pou kalkile konbyen molekil ki prezan nan yon kilogram nan materyèl elektwòd (pou LCO, sa a se 6.15 * 10 ^ 24 atòm pou chak kilogram).
Kòm yon metal alkali (eleman nan premye gwoup prensipal la), ityòm sèlman gen yon sèl elèktron ki ka patisipe nan reyaksyon chimik. Chak elèktron pote yon chaj fondamantal negatif e. Se poutèt sa, yon atòm ityòm ka lage yon chaj fondamantal e -.
Yo nan lòd yo kalkile kapasite, li nesesè kounye a konsidere ke pandan pwosesis la egzeyat, chak ityòm ion pral transfere yon elèktron nan chaj la konekte. Se poutèt sa, kapasite se pwodwi kantite chaj ke yon atòm pote ak kantite atòm. Pou LCO, sa lakòz yon kapasite de 274 Ah/kg. Kapasite lòt materyèl elektwòd pozitif ak negatif kapab tou ap kalkile lè l sèvi avèk menm metòd la.
Valè a kalkile reprezante dansite enèji teyorikman possible, men li anjeneral pa trè pre valè aktyèl la. Pou egzanp, pou LCO, se sèlman yon pòsyon nan ityòm ka retire pandan pwosesis la chaje, kidonk kapasite teyorik la pa konplètman itilize, ak valè yo jwenn nan pratik yo siyifikativman pi ba. Men, done yo kalkile bay yon bon endikatè pou konpare diferan materyèl aktif.
Konklizyon
Repons kesyon an nan ki kote enèji pil ityòm yo soti aktyèlman klè: rezon ki fè yo se reyaksyon redox ki rive plis oswa mwens revèsib nan batri a pandan chaje ak dechaje. Akòz estrikti batri a, elektwon yo fòse yo imigre nan elektwòd negatif la atravè plato a pandan chaje. Transfè chaj ki kapab lakòz la lakòz iyon ityòm yo imigre tou nan elektwòd negatif la. Pandan egzeyat, pwosesis la ranvèse, ak aktyèl ap koule tankou dlo nan chaj la konekte ak transmèt pouvwa. Yo ka kalkile vòltaj la ki te pwodwi pa yon batri nan yon eta chaj bay lè l sèvi avèk ekwasyon Nernst la epi sitou depann sou konsantrasyon nan iyon ityòm sou elektwòd yo. Plis iyon ityòm imigre nan bò elektwòd pozitif, pi wo konsantrasyon yo nan elektwòd pozitif la, ak diminisyon korespondan nan vòltaj batri a.
Kantite enèji yon batri ka bay depann de kapasite li. Kapasite se yon varyab espesifik materyèl ki ka dirèkteman kalkile nan done materyèl lè l sèvi avèk ekwasyon senp.
Tout paramèt kalkile reprezante valè teyorik (maksimòm), ki pa te reyalize nan pratik. Vòltaj la limite pa elektwolit la, ak itilizasyon konplè kapasite pral afekte estabilite mekanik elektwòd pozitif la. Anplis de sa, pou anpeche depozisyon parazit nan ityòm, yo toujou itilize materyèl elektwòd yon ti kras plis pase absoliman nesesè. Objektif yon bon pwosesis konsepsyon se balanse tout enpak sa yo pou jwenn pil pratik ki ka kenbe tèt ak dè santèn de sik nan itilizasyon otomobil. Pi bon batri a se toujou rezilta konpwomi.