В чем разница между электрохимикатами для литий-ионных аккумуляторов и свинцово-кислотных аккумуляторов?
Как поставщик электрохимии, я своими глазами стал свидетелем быстрого развития аккумуляторных технологий. Среди аккумуляторных батарей литий-ионные и свинцово-кислотные батареи являются двумя наиболее широко используемыми типами. Каждый тип имеет свой уникальный набор электрохимических веществ, которые играют решающую роль в определении их производительности, безопасности и стоимости. В этом блоге я углублюсь в различия между электрохимическими веществами, используемыми в литий-ионных и свинцово-кислотных батареях.
1. Активные материалы
Активные материалы в батарее отвечают за хранение и высвобождение электрической энергии посредством электрохимических реакций.
Литий-ионные батареи
В литий-ионных батареях в качестве активных материалов используются соединения на основе лития. Обычные катодные материалы включают оксид лития-кобальта (LiCoO₂), оксид лития-марганца (LiMn₂O₄), фосфат лития-железа (LiFePO₄) и оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC). Эти материалы имеют высокую плотность энергии, что означает, что они могут хранить большое количество энергии в относительно небольшом объеме. Например, LiCoO₂ широко используется в бытовой электронике благодаря своей высокой удельной емкости. Однако у него есть и некоторые недостатки, такие как высокая стоимость и проблемы с безопасностью. С другой стороны, LiFePO₄ известен своей превосходной термической стабильностью и длительным сроком службы, что делает его популярным выбором для электромобилей и систем хранения энергии.
Материалом анода в литий-ионных батареях обычно является графит. Графит имеет слоистую структуру, которая может интеркалировать ионы лития во время зарядки и деинтеркалировать их во время разрядки. Этот процесс интеркаляции и деинтеркаляции является обратимым, что позволяет заряжать батарею несколько раз.
Свинцово-кислотные батареи
В свинцово-кислотных батареях в качестве материала катода используется диоксид свинца (PbO₂), а в качестве материала анода — губчатый свинец (Pb). Во время зарядки катод из диоксида свинца восстанавливается до сульфата свинца (PbSO₄), а губчатый свинцовый анод окисляется до сульфата свинца. При разрядке происходят обратные реакции. Электролитом в свинцово-кислотных аккумуляторах является раствор серной кислоты (H₂SO₄), который обеспечивает среду для ионной проводимости.
Плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов относительно низкая по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Тем не менее, они по-прежнему широко используются в таких приложениях, как автомобильные системы запуска, освещения и зажигания (SLI), из-за их низкой стоимости, высокой надежности и хороших характеристик при низких температурах.
2. Электролиты
Электролит является важным компонентом батареи, поскольку он обеспечивает поток ионов между анодом и катодом.
Литий-ионные батареи
Электролитом в литий-ионных аккумуляторах обычно является соль лития, растворенная в органическом растворителе. Обычные соли лития включают гексафторфосфат лития (LiPF₆), тетрафторборат лития (LiBF₄) и перхлорат лития (LiClO₄). Для растворения солей лития используются органические растворители, такие как этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC) и этилметилкарбонат (EMC).
Выбор электролита имеет решающее значение для производительности и безопасности литий-ионных аккумуляторов. Например, широко используется LiPF₆, поскольку он обладает хорошей ионной проводимостью и стабильностью. Однако он может вступать в реакцию с влагой и выделять плавиковую кислоту (HF), которая обладает высокой коррозионной активностью. Поэтому при производстве и использовании литий-ионных аккумуляторов требуется строгий контроль влажности.
Свинцово-кислотные батареи
Как уже говорилось ранее, электролитом в свинцово-кислотных аккумуляторах является раствор серной кислоты. Серная кислота обеспечивает сульфат-ионы (SO₄²⁻), которые участвуют в электрохимических реакциях на аноде и катоде. Концентрация серной кислоты влияет на работу аккумулятора. Более высокая концентрация серной кислоты обычно приводит к повышению напряжения и емкости, но также увеличивает риск коррозии и саморазряда.
3. Добавки
Присадки часто используются в батареях для улучшения их производительности, безопасности и срока службы.
Литий-ионные батареи
В литий-ионных аккумуляторах используются различные типы присадок. Одним из типов добавок является пленкообразующая добавка, которая образует твердую межфазную фазу электролита (SEI) на поверхности анода. Слой SEI защищает анод от дальнейшей реакции с электролитом, увеличивая срок службы батареи и повышая ее безопасность. Например, виниленкарбонат (ВК) является широко используемой пленкообразующей добавкой.
Другим типом присадки является присадка для защиты от перезаряда. Эти добавки способны разлагаться при определенном напряжении и образовывать пассивирующий слой на поверхности электрода, предотвращающий перезаряд и тепловой разгон. Например,Фотоинициатор 250 CAS 344562-80-7может использоваться в качестве добавки в некоторых литий-ионных аккумуляторных системах для повышения безопасности.
Свинцово-кислотные батареи
В свинцово-кислотных аккумуляторах используются присадки, улучшающие эксплуатационные характеристики аккумулятора и уменьшающие образование кристаллов сульфата свинца. Например, в электролит можно добавлять органические добавки, такие как лигносульфонаты, чтобы предотвратить затвердевание слоя сульфата свинца на электродах, что может улучшить прием заряда батареи и увеличить срок ее службы.1,4-Циклогександион CAS 637-88-7также может использоваться в качестве добавки в некоторых рецептурах свинцово-кислотных аккумуляторов для повышения производительности.
4. Соображения безопасности
Безопасность является решающим фактором при проектировании и использовании аккумуляторов.
Литий-ионные батареи
Литий-ионные аккумуляторы склонны к тепловому разгону, что может привести к перегреву, возгоранию и взрыву. Это происходит главным образом из-за высокой плотности энергии и легковоспламеняющегося органического электролита. Перезарядка, чрезмерная разрядка, короткое замыкание и физическое повреждение могут привести к выходу из строя. Для повышения безопасности в литий-ионные аккумуляторы встроены различные функции безопасности, такие как схемы защиты от перезаряда, термопредохранители и клапаны сброса давления.
Свинцово-кислотные батареи
Свинцово-кислотные батареи обычно считаются более безопасными, чем литий-ионные. Однако они по-прежнему представляют некоторую угрозу безопасности. Электролит серной кислоты обладает высокой коррозионной активностью и может вызвать серьезные ожоги при попадании на кожу или в глаза. Кроме того, свинец — тяжелый металл, токсичный для человека и окружающей среды. Поэтому правильное обращение, хранение и утилизация свинцово-кислотных аккумуляторов имеют важное значение для предотвращения загрязнения и опасности для здоровья.
5. Стоимость
Стоимость является важным фактором, определяющим рыночную конкурентоспособность аккумуляторов.
Литий-ионные батареи
Стоимость литий-ионных аккумуляторов в последние годы снижается благодаря технологическим достижениям и экономии за счет масштаба. Однако они по-прежнему относительно дороги по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Высокая стоимость обусловлена главным образом использованием дорогостоящего сырья, такого как литий, кобальт и никель, а также сложным производственным процессом.
Свинцово-кислотные батареи
Свинцово-кислотные аккумуляторы значительно дешевле литий-ионных. Сырье для свинцово-кислотных аккумуляторов, такое как свинец и серная кислота, широко распространено и недорого. Процесс производства свинцово-кислотных аккумуляторов также относительно прост, что еще больше снижает стоимость.
В заключение можно сказать, что литий-ионные и свинцово-кислотные батареи имеют существенные различия с точки зрения их электрохимических свойств, производительности, безопасности и стоимости. Литий-ионные аккумуляторы обеспечивают высокую плотность энергии, длительный срок службы и возможность быстрой зарядки, что делает их пригодными для высокопроизводительных устройств, таких как электромобили и портативная электроника. С другой стороны, свинцово-кислотные аккумуляторы более экономичны и надежны для недорогих и энергосберегающих приложений, таких как автомобильные системы SLI.
Как поставщик электрохимии, я понимаю важность предоставления высококачественных химикатов как для литий-ионных, так и для свинцово-кислотных аккумуляторов. Являетесь ли вы производителем аккумуляторов, ищущим новейшие материалы для улучшения характеристик своей продукции, или исследователем, изучающим новые аккумуляторные технологии, я здесь, чтобы предложить вам лучшие решения. Если вы заинтересованы в нашей электрохимической продукции или у вас есть какие-либо вопросы о химикатах для аккумуляторов, пожалуйста, свяжитесь со мной для дальнейшего обсуждения и переговоров о закупках.
Ссылки
- Линден Д. и Редди Т.Б. (2002). Справочник по батареям. МакГроу - Хилл.
- Тараскон Дж. М. и Арманд М. (2001). Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются перезаряжаемые литиевые батареи. Природа, 414(6861), 359 – 367.
- Ланг Дж. и Фэн Ю. (2017). Технология свинцово-кислотных аккумуляторов и ее будущее развитие. Журнал источников энергии, 352, 304–312.