Kuinka pidentää litiumparistoa

Anodilla olevat litiumionit kulkevat elektrolyytin läpi katodille, jossa ne yhdistyvät elektroneihin ja muodostavat sähkövarauksen, jonka avulla se voi tarvittaessa tuottaa virtaa. Näin syntyy akun ainutlaatuinen virransyöttöjärjestelmä.

Viimeaikaisilla edistysaskelilla piianodimateriaalin valinnassa pyritään estämään li-ionien jääminen elektrolyytin seinämiin ja parantamaan niiden palautuvuutta [155].

Pidempi elinikä

Litiumparistot ovat joka päivä miljoonien ihmisten voimanlähde kannettavista tietokoneista ja matkapuhelimista hybridi- ja sähköautoihin. Niiden etuja ovat suuri energiatiheys, keveys, nopea latausnopeus ja lyijyakkuja pidempi käyttöikä. Avain litiumakkujen käyttöiän pidentämiseen on sen ymmärtäminen, miten litiumakku hajoaa ajan mittaan, ja ennakoivien toimenpiteiden toteuttaminen sen pidentämiseksi - tähän kuuluu sen ymmärtäminen, minkä tyyppinen litiumakku tarvitsee erityishuomiota latausnopeuden, purkautumissyvyyden, lataussyvyyden jne. suhteen - sekä yleisten virheiden, kuten ylilatauksen ja korkeissa lämpötiloissa asumisen, välttäminen.

Li-ioni-akkujen kapasiteetti vähenee vähitellen ajan myötä, koska kemialliset reaktiot heikentävät elektrodeja ja elektrolyyttiä, mikä lisää sisäistä vastusta ja lyhentää käyttöaikaa. Tätä prosessia tapahtuu riippumatta siitä, onko akkua kierrätetty säännöllisesti vai säilytetäänkö se käyttämättömänä - säännölliset kierrokset ja viileässä lämpötilassa säilyttäminen voivat kuitenkin hidastaa hajoamisprosessia merkittävästi.

Litiumakkujen syklimäärät riippuvat lataus- ja purkuolosuhteista sekä käyttölämpötilasta. Kuluttajalaitteet lataavat akut yleensä 4,20 V:n jännitteeseen kennoa kohti kapasiteetin ja käyttöajan maksimoimiseksi. Teollisuussovelluksissa käytetään kuitenkin usein matalampia jännitekynnyksiä, kuten satelliiteissa tai sähköajoneuvoissa, jotta niiden käyttöikä pitenisi.

Jotta akkujen käyttöikä olisi mahdollisimman pitkä, vältä pikalatureita, sillä ne lämpenevät nopeasti ja heikentävät akkuja. Rajoita lisäksi akun tyhjennystoiminnan tiheyttä, sillä se lisää akun sisäistä vastusta ja lyhentää käyttöaikaa ja syklin kestoa.

Ionicin litium-syväakkujen keskimääräinen käyttöikä on 3 000-5 000 täyttä sykliä, kun kapasiteettia on jäljellä 80%, mikä saavutetaan käyttämällä vain korkealaatuisia litium-rautafosfaattimateriaaleja (LiFePO4), jotka on suunniteltu yhteensopiviksi erilaisten kuormien ja latureiden kanssa, ja Bluetooth-valvonnalla, joka antaa reaaliaikaisia lataustilatietoja ja laskee jäljellä olevan käyttöajan - tämä antaa merenkulkuasiakkaillemme mielenrauhaa, kun he suunnittelevat etukäteen ja tarvitsevat akkua silloin, kun he sitä eniten tarvitsevat.

Suurempi energiatiheys

Litiumakut ovat erittäin energiatiiviitä, mikä tarkoittaa, että ne varastoivat huomattavan määrän energiaa pieneen tilaan (professori Paul Christenseniä lainatakseni). Kemiallisen energian muuntamiseksi sähkövirraksi litiumionien on liikuttava anodin ja katodin välillä anodin ja katodin välisen huokoisen erottimen ja elektrolyyttikerroksen läpi. Toistuva lataus ja purku parantavat suorituskykyä huomattavasti ajan myötä.

Markkinoilla on erilaisia ladattavia litiumparistoja, joilla kullakin on oma sisäinen kemiansa. Vaikka jotkin niistä saattavat maksaa enemmän kuin toiset, kaikkien energiatiheys on suurempi kuin lyijyakkujen, mikä tarkoittaa, että ne varastoivat enemmän sähkövarausta kilogrammaa tai tilavuutta kohti ja tarjoavat siten pidempiä ajoetäisyyksiä tai enemmän käyttötunteja sähkötyökalulle ilman, että niiden koko tai paino kasvaa merkittävästi.

Akkuteknologia kehittyy jatkuvasti, ja tutkijat etsivät jatkuvasti tapoja parantaa nykyisiä komponentteja. Professori Corie Cobb ja hänen Integrated Fabrication Lab -tutkimuksensa keskittyvät akkujen valmistusta tehostavien 3D-elektrodiarkkitehtuurien suunnitteluun; J Devin MacKenzie, joka kuuluu sekä ME- että materiaalitieteiden ja -tekniikan (MSE) tiedekuntaan, tutkii myös rakenteellisesti muokattuja antimoniseoksia akkumateriaaleina.

Energiatiheys on yksi kaikkien akkujen tärkeimmistä mittareista. Se mittaa sitä, kuinka paljon energiaa kenno tai akku pystyy säilyttämään massa- tai tilavuusyksikköä kohti, ja se on erityisen tärkeä sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa, joissa tarvitaan pitkiä toimintasäteitä ja samalla hallittavia paino- ja kokovaatimuksia.

Suuremman energiatiheyden akut tarjoavat pidempiä toiminta-aikoja ennen latauksen tarvetta, mikä auttaa vähentämään polttoaineen kulutusta ja huoltokustannuksia, ja pienemmät akut sopivat kompaktimmin ajoneuvojen rakenteisiin, mikä antaa enemmän tehoa kiihdytykseen tai kuormitukseen.

Suuremmalla energiatiheydellä varustetut akut voivat pienentää huomattavasti niiden kokonaiskokoa ja -painoa, mikä on erityisen hyödyllistä kannettavassa elektroniikassa ja sähköajoneuvoissa, joissa jokainen kilogramma on tärkeä. Valitettavasti suuren energiatiheyden akkujen jänniteprofiilit voivat olla epäsuotuisia tiettyihin käyttötarkoituksiin, eivätkä ne välttämättä tarjoa nopeaa tehopursketta tarvittaessa.

Nopeampi lataus

Kun yhä useammat ihmiset siirtyvät käyttämään sähköautoja, nopeasti latautuvien litiumakkujen kysyntä kasvaa. Perinteisten lyijyakkujen purkautumissyvyys on vain 50%, mutta litiumioniakkujen purkautumissyvyys on 99%, mikä tekee niistä ihanteellisia sähköajoneuvojen kaltaisiin tehointensiivisiin sovelluksiin. Niiden nopeampi latausnopeus johtaa myös lyhyempiin latausaikoihin.

Litium-ioniakkuissa käytetään kahta metallioksidista ja huokoisesta hiilestä koostuvaa elektrodia energian varastointiin. Latauksen aikana ionit liikkuvat vapaasti näiden elektrodien välillä elektrolyytin ja erottimen kautta; purkautuessaan anodi hapettuu ja elektronit häviävät, ja latauksen yhteydessä ne palautuvat takaisin katodiin, ja tämä sykli jatkuu loputtomiin.

Insinöörit ovat kehittäneet materiaaleja, kuten pii-, germanium- ja antimoniseosmateriaaleja, jotka voivat varastoida litiumioneja paremmin kuin grafiittianodit, kun nämä ionit interkaloituvat grafeenikerrosten väliin. Valitettavasti nämä seosmateriaalit muuttuvat fyysisesti lataus-/purkaussyklien aikana, mikä voi johtaa suorituskyvyn heikkenemiseen tai vikaantumiseen.

Cornellin yliopiston tutkijat ovat keksineet menetelmän, jolla fyysisen tilavuuden muutokset voidaan minimoida, mikä mahdollistaa suorituskykyiset litiumakut ja nopeammat latausnopeudet. Lisäämällä indiumia (jota käytetään yleensä kosketusnäyttöjen pinnoitteissa) heidän ryhmänsä vähensi elektrodien välisiä energiaesteitä, jolloin ionien on helpompi liikkua elektrodien välillä.

Tutkijat varoittivat, että on tärkeää olla tietoinen pikalataukseen liittyvistä kompromisseista. Nopeampi lataus vaatii huomattavasti suurempaa virtaa ja tehoa, mikä voi lyhentää akun käyttöikää merkittävästi - tämä oli erityisen yleistä litiumioniakkujen kohdalla.

Asiantuntijat kehottavat noudattamaan akkuvalmistajien suosittelemia latausnopeuksia akun pitkäikäisyyden maksimoimiseksi, ja tehokennoja suositellaan ladattavaksi 1 C:n lämpötilassa, jotta niiden anodi ja katodi eivät altistuisi ylijännitteille; sähköauton (EV) kuljettajille tämä ei kuitenkaan aina ole mahdollista litiumioniakkujen rajoitettujen ajomatkojen vuoksi.

Pienemmät kustannukset

Litiumakut tarjoavat monia etuja lyijyakkuihin verrattuna, muun muassa kustannusten osalta. Koska litiumakut kestävät pidempään, painavat vähemmän ja toimivat tehokkaammin, niiden kustannustehokkuus tekee niistä ajan mittaan parhaan investoinnin - säästät rahaa jokaisella ostokerralla tai vaihdolla sekä moottoreiden tai generaattoreiden polttoaineessa.

Litiumioniakuista on tullut erittäin suosittu virtalähde kulutuselektroniikassa, hybridiajoneuvoissa ja sähköautoissa niiden keveyden ja suuren energiatiheyden ansiosta. Niiden suunnittelun ansiosta kapasiteetti kasvaa ja samalla kustannukset alenevat merkittävästi. Tämän rakenteen ansiosta kapasiteettia on voitu lisätä valtavasti ja samalla vähentää kustannuksia merkittävästi.

Teknologian kehittyessä valmistajat ovat pystyneet alentamaan kustannuksia entisestään käyttämällä parempia materiaaleja ja optimoimalla tuotantoprosesseja. Lean-tuotantomenetelmät, joissa keskitytään hukan minimointiin ja tuottavuuden optimointiin, ovat erityisen lupaavia menetelmiä akkutuotantoon liittyvien kustannusten alentamiseksi.

Turvallisuuskysymykset ovat edelleen yksi tärkeimmistä esteistä litiumioniakkujen laajamittaiselle käyttöönotolle, ja yksi tärkeimmistä esteistä on lämpökatkos (sarja kemiallisia reaktioita, jotka johtavat tulipaloon). Litiumioniakut voivat olla alttiita tälle ongelmalle, jos niiden katodeihin tai anodeihin syntyy halkeamia tai oikosulkuja; kennokemian ja pakkaustekniikan parannukset ovat kuitenkin tehneet näistä akuista entistä turvallisempia.

Litiumioniakuista on tullut ensisijainen valinta UPS-sovelluksiin niiden alhaisempien kokonaiskustannusten vuoksi, erityisesti kolmivaiheisissa UPS-yksiköissä, jotka ovat yleensä suurempia ja kalliimpia kuin yksivaiheiset UPS-yksiköt.

Litiumteollisuuden kehittyessä uudet innovaatiot, kuten kuiva litiumpolymeeri, avaavat uusia jännittäviä mahdollisuuksia akkukemioille ja -malleille. Nämä edistysaskeleet lupaavat pidempiä syklien kestoja ja syvempiä purkautumissyvyyksiä ilman termisen karkaamisen riskiä tai muita turvallisuusongelmia - mikä tarkoittaa, että litiumioniakut saattavat yleistyä sovelluksissa jopa aiempaa enemmän.