Курсовая работа: Электрохимические принципы работы литий-ионных аккумуляторов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................. 4

1 Электрохимические основы работы литий-ионных аккумуляторов..... 6

1.1 Устройство и материалы литий-ионной ячейки............................. 6

1.2 Интеркаляционные процессы, деградация и термодинамические аспекты 7

1.3 Обоснование выбора объекта и методов исследования............... 12

2 Экспериментальная часть....................................................................... 13

2.1 Характеристика объекта исследования......................................... 13

2.2 Методика проведения измерений.................................................. 14

2.3 Расчетные методы исследования................................................... 14

2.4 Результаты расчетов и их обсуждение.......................................... 15

ВЫВОДЫ................................................................................................... 18

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................. 19

ВВЕДЕНИЕ

Литий-ионные аккумуляторы являются наиболее распространенными вторичными электрохимическими источниками тока для портативной техники, электротранспорта и стационарных систем хранения энергии. Их развитие связано с высокой удельной энергией, высоким напряжением одной ячейки и возможностью многократного заряда-разряда [1–4]. Одновременно такие аккумуляторы остаются сложными химическими системами, в которых рабочие характеристики определяются материалами электродов, составом электролита, состоянием межфазных слоев и режимами эксплуатации.

Актуальность темы обусловлена тем, что дальнейшее повышение ресурса и безопасности аккумуляторов невозможно без понимания процессов интеркаляции лития, переноса заряда, деградации электродов и тепловых эффектов. Современные обзоры показывают, что рост энергоемкости ячеек сопровождается усилением требований к стабильности высоковольтных катодов, электролитов и защитных межфаз [5–7]. Для практической эксплуатации особенно важны диагностические параметры: напряжение разомкнутой цепи, внутреннее сопротивление и фактическая емкость.

Объект исследования – литий-ионный аккумулятор как обратимый электрохимический источник тока. Предмет исследования – электрохимические процессы переноса ионов лития, электродные реакции, деградация материалов и расчетные показатели состояния аккумуляторной ячейки.

Цель курсовой работы – рассмотреть электрохимические принципы работы литий-ионных аккумуляторов и выполнить расчетную экспериментальную оценку состояния аккумулятора по напряжению, внутреннему сопротивлению и фактической емкости.

Для достижения цели поставлены следующие задачи:

– раскрыть устройство литий-ионной ячейки и назначение ее основных компонентов;

– описать интеркаляцию и деинтеркаляцию ионов лития, а также основные электродные реакции;

– рассмотреть влияние электролита, межфазных слоев и деградационных процессов на ресурс ячейки;

– показать связь напряжения аккумулятора с термодинамическими величинами;

– разработать экспериментальную часть с расчетом внутреннего сопротивления, емкости и остаточной работоспособности аккумулятора.

Методы исследования включают измерение напряжения аккумулятора без вскрытия ячейки, измерение напряжения под нагрузкой, расчет внутреннего сопротивления по закону Ома, расчет фактической емкости по разрядным данным, обработку серии учебных измерений и построение разрядной кривой. Экспериментальная методика опирается на подходы к оценке состояния аккумуляторных батарей и расчету емкости по разрядным данным [8–14].

Научная гипотеза работы состоит в том, что рост внутреннего сопротивления и снижение фактической емкости литий-ионного аккумулятора связаны с деградацией электродных материалов и межфазных слоев, поэтому состояние ячейки можно оценивать по внешним электрическим характеристикам без ее вскрытия.

Практическая значимость работы состоит в том, что результаты позволяют объяснить, почему для продления срока службы аккумуляторов необходимо ограничивать перегрев, перезаряд, глубокий разряд, слишком большие токи и длительное хранение при полностью заряженном состоянии [8–11].