Vývoj a struktura lithiumových baterií

Lithiová baterie je nový typ vysoce výkonné baterie úspěšně vyvinuté ve 20. století. S návrhem „uhlíkové neutrality“ a „uhlíkového vrcholu“ se lithiová baterie stala středem pozornosti ze všech oblastí života. Dnes vás CHNL provede vývojem a strukturou lithiové baterie.

Úvod do lithiových baterií

Lithiové baterie lze chápat jako baterie obsahující lithiové prvky (včetně kovového lithia, lithiových slitin, lithiových iontů, lithiových polymerů) a lze je rozdělit na lithiové kovové baterie (velmi zřídka vyráběné a používané) a lithiové baterie (dnes hojně používané). Díky své vysoké specifické energii, vysokému napětí baterie, širokému rozsahu provozních teplot a dlouhé skladovací životnosti se široce používají v armádních a civilních malých elektrických přístrojích, jako jsou mobilní telefony, přenosné počítače, videokamery, fotoaparáty atd., částečně nahrazují tradiční baterie.

Původ a vývoj lithiových baterií

V 70. letech M.S. Whittingham z Exxon použil sulfid titanu jako materiál kladné elektrody a kovové lithium jako materiál záporné elektrody k výrobě první lithiové baterie.
V roce 1980 J. Goodenough objevil, že oxid kobaltu lithia může být použit jako katodový materiál pro lithiové baterie.

V roce 1982 R.R.Agarwal a J.R.Selman z Illinois Institute of Technology (Illinois Institute of Technology) zjistili, že lithiové ionty mají vlastnosti interkalace grafitu, a tento proces je rychlý a vratný. Současně bezpečnostní rizika lithiových baterií vyrobených z kovového lithia vzbudila velkou pozornost. Proto se lidé pokusili využít vlastnosti lithiových iontů zabudovaných v grafitu k výrobě dobíjecích baterií. První použitelná lithiová iontová grafitová elektroda byla úspěšně zkušebně vyrobena v Bell Laboratories.

V roce 1983 M. Thackeray, J. Goodenough a další zjistili, že mangan spinel je vynikajícím katodovým materiálem, s nízkou cenou, stabilitou a vynikající vodivostí a vodivostí lithia. Jeho teplota rozkladu je vysoká a jeho oxidační vlastnost je mnohem nižší než u oxidu kobaltu lithia. I při zkratu nebo přebití může zabránit nebezpečí požáru a výbuchu.
V roce 1991 Sony uvedla na trh první komerční lithiovou baterii. Následně lithiové baterie revolučně změnily podobu spotřební elektroniky.

V roce 1996 Padhi a Goodenough zjistili, že fosfáty s olivínovou strukturou, jako je lithiový železný fosfát (LiFePO4), jsou lepší než tradiční katodové materiály, a proto se staly současnými hlavními katodovými materiály.
Lithiové baterie (Li-ion baterie) jsou vyvinuty z lithiových baterií. Takže před představením Li-ion si nejprve představme lithiové baterie. Například knoflíková baterie je lithiová baterie. Materiálem kladné elektrody lithiové baterie je oxid manganičitý nebo chlorid thionylu a zápornou elektrodou je lithium. Po sestavení baterie má baterie napětí a není třeba ji nabíjet. Tento typ baterie lze také nabíjet, ale cyklický výkon není dobrý. Během nabíjecího a vybíjecího cyklu se snadno tvoří lithiové dendrity, což vede k vnitřnímu zkratu baterie, takže obecně je tento typ baterie zakázáno nabíjet.

Později japonská společnost Sony Corporation vynalezla lithiovou baterii s uhlíkovým materiálem jako zápornou elektrodou a lithiovou sloučeninou jako kladnou elektrodou. Během nabíjecího a vybíjecího procesu není přítomno kovové lithium, pouze lithiové ionty. To je lithiová baterie.
Na počátku 90. let japonská společnost Sony Energy Development Corporation a kanadská společnost Moli Energy Corporation úspěšně vyvinuly nové lithiové iontové baterie, které nejen dobře fungují, ale také neznečišťují životní prostředí. S rychlým rozvojem informačních technologií, přenosných zařízení a elektrických vozidel rychle rostla poptávka po vysoce účinných zdrojích energie a lithiové baterie se staly jedním z nejrychleji rostoucích oborů.

Struktura lithiové baterie

Hlavní součásti lithiových baterií:
(1) Kladná elektroda - aktivní materiály se většinou týkají oxidu kobaltu lithia, manganátu lithia, fosfátu železa lithia, niklátu lithia, nikl-kobalt-manganátu lithia atd. Vodivý proudový sběrač obvykle používá hliníkovou fólii o tloušťce 10–20 mikronů;
(2) Membrána - speciální plastová fólie, která propouští lithiové ionty, ale je elektrickým izolantem. V současnosti jsou hlavně PE a PP a jejich kombinace. Existuje také typ anorganické pevné membrány, například alumina membránový povlak je druh anorganické pevné membrány;

(3) Záporná elektroda - aktivní materiál se většinou týká grafitu, titanátu lithia nebo uhlíkového materiálu s podobnou strukturou grafitu a vodivý proudový sběrač obvykle používá měděnou fólii o tloušťce 7-15 mikronů;
(4) Elektrolyt - obvykle organický systém, jako je karbonátové rozpouštědlo rozpuštěné s hexafluorofosfátem lithia, a některé polymerové baterie používají gelový elektrolyt;
(5) Pouzdro baterie - hlavně rozděleno na dva typy: tvrdé pouzdro (ocelové pouzdro, hliníkové pouzdro, niklované železné pouzdro atd.) a měkké pouzdro (hliníková plastová fólie).

Když je baterie nabíjena, lithiové ionty jsou deinterkalovány z kladné elektrody a interkalovány do záporné elektrody, a při vybíjení naopak. To vyžaduje, aby elektroda byla před sestavením v lithiové interkalaci. Obvykle se jako kladná elektroda vybírá lithiový interkalovaný přechodný kovový oxid s potenciálem větším než 3 V vůči lithiu a stabilní na vzduchu, jako LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Jako materiál záporné elektrody se vybírá interkalovatelná lithiová sloučenina s potenciálem co nejblíže potenciálu lithia, jako různé uhlíkové materiály včetně přírodního grafitu, syntetického grafitu, uhlíkových vláken, mezofázového kulovitého uhlíku atd. a kovové oxidy, včetně SnO, SnO2, kompozitního oxidu cínu SnBxPyOz (x=0,4～0,6, y=0,6～0,4, z=(2+3x+5y)/2) atd.
Elektrolyt používá směs rozpouštědel LiPF6 ethylenkarbonátu (EC), propylénkarbonátu (PC) a nízkoviskózního diethylkarbonátu (DEC) a dalších alkylkarbonátů.

Membrána používá polyolefinovou mikroporézní fólii jako PE, PP nebo jejich kompozitní fólii, zejména třívrstvou membránu PP/PE/PP, která má nejen nízký bod tání, ale také vysokou odolnost proti propíchnutí, což hraje roli tepelné pojistky.
Obal je vyroben z oceli nebo hliníku a kryt sestavy má funkci výbuchové ochrany a odpojení napájení.
No, výše uvedené je vše o lithiových bateriích dnes. Od vzniku lithiových baterií v roce 1970 se rychle rozvíjejí. Lithiové baterie pronikly do všech aspektů našeho života a v budoucnu mají stále obrovské vývojové vyhlídky.
Doufám, že výše uvedený obsah je pro vás užitečný, další informace budou průběžně aktualizovány, uvidíme se v příštím vydání.