Udvikling og struktur af lithiumbatterier

Litiumbatteri er en ny type højenergibatteri, der med succes blev udviklet i det 20. århundrede. Med forslaget om "kulstofneutralitet" og "kulstoftop" er litiumbatteriet blevet fokus for opmærksomhed fra alle samfundslag. I dag vil CHNL lede dig til at forstå udviklingen og strukturen af litiumbatteriet.

Introduktion til litiumbatterier

Litiumbatterier kan forstås som batterier, der indeholder litiumelementer (inklusive metallisk litium, litiumlegeringer, litiumioner, litiumpolymerer), og kan opdeles i litium-metalbatterier (meget sjældent produceret og brugt) og litiumionbatterier (som i dag bruges i stort omfang). På grund af deres høje specifikke energi, høje batterispænding, brede driftstemperaturområde og lange opbevaringslevetid er de blevet bredt anvendt i militære og civile små elektriske apparater, såsom mobiltelefoner, bærbare computere, videokameraer, kameraer osv., og har delvist erstattet traditionelle batterier.

Oprindelsen og udviklingen af litiumbatterier

I 1970'erne brugte M.S. Whittingham fra Exxon titansulfid som positiv elektrode materiale og metallisk litium som negativ elektrode materiale til at fremstille det første litiumbatteri.
I 1980 opdagede J. Goodenough, at litiumkoboltoxid kunne bruges som katodemateriale til litiumbatterier.

I 1982 opdagede R.R. Agarwal og J.R. Selman fra Illinois Institute of Technology, at litiumioner har egenskaberne ved at interkalere grafit, og denne proces er hurtig og reversibel. Samtidig har sikkerhedsrisiciene ved litiumbatterier lavet af metallisk litium tiltrukket stor opmærksomhed. Derfor har man forsøgt at bruge egenskaberne ved litiumioner indlejret i grafit til at lave genopladelige batterier. Den første brugbare litium-ion grafitelektrode blev med succes prøveproduceret på Bell Laboratories.

I 1983 fandt M. Thackeray, J. Goodenough og andre, at mangan spinel er et fremragende katodemateriale med lav pris, stabilitet og fremragende ledningsevne og litiumledningsevne. Dets nedbrydningstemperatur er høj, og dets oxiderende egenskab er meget lavere end litiumkoboltoxid. Selv ved kortslutning eller overopladning kan det undgå faren for brand og eksplosion.
I 1991 udgav Sony det første kommercielle litiumbatteri. Efterfølgende revolutionerede litiumbatterier forbrugerelektronikkens ansigt.

I 1996 fandt Padhi og Goodenough, at fosfater med en olivinstruktur, såsom litiumjernfosfat (LiFePO4), er mere overlegne end traditionelle katodematerialer, og de er derfor blevet de nuværende mainstream katodematerialer.
Litiumbatterier (Li-ion batterier) er udviklet fra litiumbatterier. Så før vi introducerer Li-ion, lad os først introducere litiumbatterier. For eksempel er et knapcellebatteri et litiumbatteri. Det positive elektrode materiale i litiumbatteriet er manganoxid eller thionylchlorid, og den negative elektrode er litium. Efter batteriet er samlet, har batteriet spænding og behøver ikke oplades. Denne type batteri kan også oplades, men cyklustilstanden er ikke god. Under opladnings- og afladningscyklussen dannes der let litiumdendritter, hvilket resulterer i en intern kortslutning i batteriet, så generelt er denne type batteri forbudt at oplade.

Senere opfandt Sony Corporation i Japan et litiumbatteri med kulstofmateriale som negativ elektrode og en litiumholdig forbindelse som positiv elektrode. Under opladnings- og afladningsprocessen er der ikke metallisk litium, kun litiumioner. Dette er et litium-ionbatteri.
I begyndelsen af 1990'erne udviklede Japans Sony Energy Development Corporation og Canadas Moli Energy Corporation med succes nye litium-ionbatterier, som ikke kun har god ydeevne, men også ikke forurener miljøet. Med den hurtige udvikling af informationsteknologi, håndholdt maskineri og elektriske køretøjer er efterspørgslen efter højeffektive strømkilder vokset hurtigt, og litiumbatterier er blevet et af de hurtigst voksende områder.

Strukturen af litiumbatteriet

Hovedkomponenterne i litiumbatterier:
(1) Positiv elektrode - aktive materialer refererer hovedsageligt til litiumkoboltoxid, litiummanganat, litiumjernfosfat, litiumnikkalat, litium-nikkel-kobolt-manganat osv. Den ledende strømopsamler bruger generelt aluminiumsfolie med en tykkelse på 10--20 mikron;
(2) Membran - en speciel plastikfilm, der tillader litiumioner at passere, men er en elektrisk isolator. I øjeblikket er der hovedsageligt PE og PP og deres kombinationer. Der findes også en type uorganisk solid membran, såsom alumina membranbelægning, som er en slags uorganisk solid membran;

(3) Negativ elektrode - det aktive materiale refererer hovedsageligt til grafit, litiumtitanat eller kulstofmateriale med en lignende grafitstruktur, og den ledende strømopsamler bruger generelt kobberfolie med en tykkelse på 7-15 mikron;
(4) Elektrolyt - generelt et organisk system, såsom en karbonatsolvent opløst med litiumhexafluorophosphat, og nogle polymerbatterier bruger en gel-elektrolyt;
(5) Batterihus - hovedsageligt opdelt i to typer: hårdt kabinet (stålhus, aluminiums hus, nikkelbelagt jernhus osv.) og blødt kabinet (aluminium-plastfilm).

Når batteriet oplades, deinterkaleres litiumioner fra den positive elektrode og interkaleres i den negative elektrode, og omvendt ved afladning. Dette kræver, at en elektrode er i en litiuminterkaleringstilstand før samling. Generelt vælges et litiuminterkalerende overgangsmetaloxid med en potentiale over 3V i forhold til litium og stabil i luft som den positive elektrode, såsom LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Som materiale til den negative elektrode vælges en interkalerbar litiumforbindelse med et potentiale så tæt som muligt på litiumpotentialet, såsom forskellige kulstofmaterialer inklusive naturlig grafit, syntetisk grafit, kulfiber, mesofase sfærisk kulstof osv. og metaloxider, inklusive SnO, SnO2, tin-kompositoxid SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) osv.
Elektrolytten anvender et blandet opløsningssystem af LiPF6 ethylencarbonat (EC), propylencarbonat (PC) og lavviskøs diethylcarbonat (DEC) og andre alkylcarbonater.

Membranen anvender polyolefin mikroporøs film såsom PE, PP eller deres kompositfilm, især PP/PE/PP trelagsmembranen, som ikke kun har et lavt smeltepunkt, men også har en høj punkteringsmodstand, hvilket spiller en rolle i termisk forsikring.
Skallen er lavet af stål eller aluminium, og dækslets samling har funktionen eksplosionssikring og strømafbrydelse.
Nå, ovenstående er alt om litiumbatterier i dag. Siden litiumbatteriernes fødsel i 1970 har de udviklet sig hurtigt. Litiumbatterier har trængt ind i alle aspekter af vores liv, og der er stadig enorme udviklingsmuligheder i fremtiden.
Jeg håber, at ovenstående indhold er nyttigt for dig, mere information vil løbende blive opdateret, vi ses i næste udgave.