Entwicklung und Aufbau von Lithiumbatterien

Lithiumbatterie ist eine neue Art von Hochenergie-Batterie, die im 20. Jahrhundert erfolgreich entwickelt wurde. Mit dem Vorschlag von „Kohlenstoffneutralität“ und „Kohlenstoffspitze“ ist die Lithiumbatterie zum Fokus der Aufmerksamkeit aus allen Lebensbereichen geworden. Heute wird CHNL Sie anleiten, die Entwicklung und Struktur der Lithiumbatterie zu verstehen.

Einführung in Lithiumbatterien

Man kann Lithiumbatterien als Batterien verstehen, die Lithiumelemente enthalten (einschließlich metallisches Lithium, Lithiumlegierungen, Lithiumionen, Lithiumpolymere), und sie können in Lithium-Metall-Batterien (sehr selten hergestellt und verwendet) und Lithium-Ionen-Batterien (heute vielfach verwendet) unterteilt werden. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, hohen Batteriespannung, weiten Betriebstemperaturbereichs und langen Lagerdauer werden sie weit verbreitet in militärischen und zivilen kleinen Elektrogeräten wie Mobiltelefonen, tragbaren Computern, Videokameras, Kameras usw. eingesetzt und ersetzen teilweise traditionelle Batterien.

Der Ursprung und die Entwicklung der Lithiumbatterien

In den 1970er Jahren verwendete M.S. Whittingham von Exxon Titansulfid als positive Elektrode und metallisches Lithium als negative Elektrode, um die erste Lithiumbatterie herzustellen.
1980 entdeckte J. Goodenough, dass Lithium-Kobaltoxid als Kathodenmaterial für Lithiumbatterien verwendet werden kann.

1982 entdeckten R.R. Agarwal und J.R. Selman vom Illinois Institute of Technology, dass Lithiumionen die Eigenschaft haben, Graphit zu interkalieren, und dieser Prozess schnell und reversibel ist. Gleichzeitig haben die Sicherheitsrisiken von Lithiumbatterien aus metallischem Lithium viel Aufmerksamkeit erregt. Daher versuchte man, die Eigenschaft der Lithiumionen, in Graphit eingebettet zu werden, zu nutzen, um wiederaufladbare Batterien herzustellen. Die erste brauchbare Lithium-Ionen-Graphitelektrode wurde erfolgreich in den Bell Laboratories erprobt.

1983 fanden M. Thackeray, J. Goodenough und andere heraus, dass Manganspinell ein ausgezeichnetes Kathodenmaterial ist, mit niedrigem Preis, Stabilität sowie hervorragender Leitfähigkeit und Lithiumleitfähigkeit. Seine Zersetzungstemperatur ist hoch, und seine Oxidationseigenschaft ist viel geringer als die von Lithium-Kobaltoxid. Selbst bei Kurzschluss oder Überladung kann es die Gefahr von Brand und Explosion vermeiden.
1991 brachte Sony die erste kommerzielle Lithiumbatterie auf den Markt. Anschließend revolutionierten Lithiumbatterien die Konsumelektronik.

1996 entdeckten Padhi und Goodenough, dass Phosphate mit Olivin-Struktur, wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4), den traditionellen Kathodenmaterialien überlegen sind, weshalb sie heute die gängigen Kathodenmaterialien sind.
Lithiumbatterien (Li-Ionen-Batterien) sind aus Lithiumbatterien entwickelt worden. Bevor wir Li-Ionen vorstellen, wollen wir zuerst Lithiumbatterien erklären. Zum Beispiel ist eine Knopfzellenbatterie eine Lithiumbatterie. Das positive Elektrodmaterial der Lithiumbatterie ist Mangandioxid oder Thionylchlorid, und die negative Elektrode ist Lithium. Nach der Montage hat die Batterie Spannung und muss nicht geladen werden. Diese Art von Batterie kann auch geladen werden, aber die Zyklusleistung ist nicht gut. Während des Lade- und Entladezyklus bilden sich leicht Lithium-Dendriten, was zu einem internen Kurzschluss der Batterie führt, weshalb diese Art von Batterie im Allgemeinen nicht geladen werden darf.

Später erfand die Sony Corporation aus Japan eine Lithiumbatterie mit Kohlenstoffmaterial als negative Elektrode und einer lithiumhaltigen Verbindung als positive Elektrode. Während des Lade- und Entladeprozesses gibt es kein metallisches Lithium, sondern nur Lithiumionen. Dies ist eine Lithium-Ionen-Batterie.
Anfang der 1990er Jahre entwickelten die Sony Energy Development Corporation aus Japan und die Moli Energy Corporation aus Kanada erfolgreich neue Lithium-Ionen-Batterien, die nicht nur gute Leistung erbringen, sondern auch die Umwelt nicht verschmutzen. Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie, tragbarer Geräte und Elektrofahrzeuge ist die Nachfrage nach hocheffizienten Energiequellen schnell gewachsen, und Lithiumbatterien sind zu einem der am schnellsten wachsenden Bereiche geworden.

Die Struktur der Lithiumbatterie

Die Hauptkomponenten von Lithiumbatterien:
(1) Positive Elektrode – aktive Materialien beziehen sich hauptsächlich auf Lithium-Kobaltoxid, Lithium-Manganat, Lithium-Eisenphosphat, Lithium-Nickelat, Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat usw. Der leitfähige Stromsammler verwendet im Allgemeinen Aluminiumfolie mit einer Dicke von 10–20 Mikrometern;
(2) Diaphragma – eine spezielle Kunststofffolie, die Lithiumionen passieren lässt, aber ein elektrischer Isolator ist. Derzeit gibt es hauptsächlich PE und PP und deren Kombinationen. Es gibt auch eine Art anorganisches Festdiaphragma, wie Alumina-Diaphragma-Beschichtung, die eine Art anorganisches Festdiaphragma ist;

(3) Negative Elektrode – das aktive Material bezieht sich hauptsächlich auf Graphit, Lithiumtitanat oder Kohlenstoffmaterial mit ähnlicher Graphitstruktur, und der leitfähige Stromsammler verwendet im Allgemeinen Kupferfolie mit einer Dicke von 7–15 Mikrometern;
(4) Elektrolyt – im Allgemeinen ein organisches System, wie ein Karbonatlösungsmittel, in dem Lithiumhexafluorophosphat gelöst ist, und einige Polymerbatterien verwenden einen Gel-Elektrolyten;
(5) Batteriekasten – hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Hartgehäuse (Stahlgehäuse, Aluminiumgehäuse, vernickeltes Eisengehäuse usw.) und Weichgehäuse (Aluminium-Kunststoff-Folie).

Beim Laden werden Lithiumionen aus der positiven Elektrode deinterkaliert und in der negativen Elektrode interkaliert, und beim Entladen umgekehrt. Dies erfordert, dass eine Elektrode vor der Montage in einem Lithium-Interkalationszustand ist. Im Allgemeinen wird ein Lithium-Interkalations-Übergangsmetalloxid mit einem Potential von mehr als 3 V relativ zu Lithium und stabil in Luft als positive Elektrode ausgewählt, wie LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Als Material der negativen Elektrode wird eine interkalierbare Lithiumverbindung mit einem Potential so nahe wie möglich am Lithiumpotential ausgewählt, wie verschiedene Kohlenstoffmaterialien einschließlich natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Kohlenstofffasern, Mesophase-Kugel-Kohlenstoff usw. und Metalloxide, einschließlich SnO, SnO2, Zinn-Verbundoxid SnBxPyOz (x=0,4–0,6, y=0,6–0,4, z=(2+3x+5y)/2) usw.
Der Elektrolyt verwendet ein Mischlösungsmittelsystem aus LiPF6 Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC) und niedrigviskosem Diethylcarbonat (DEC) sowie anderen Alkylcarbonaten.

Das Diaphragma verwendet Polyolefin-Mikroporfolie wie PE, PP oder deren Verbundfolie, insbesondere das PP/PE/PP-Dreischicht-Diaphragma, das nicht nur einen niedrigen Schmelzpunkt hat, sondern auch eine hohe Durchstoßfestigkeit besitzt, was eine thermische Absicherung bewirkt.
Das Gehäuse besteht aus Stahl oder Aluminium, und die Deckelmontage hat die Funktion von Explosionsschutz und Abschaltung.
Nun, das war heute alles über Lithiumbatterien. Seit der Entstehung der Lithiumbatterien in den 1970er Jahren haben sie sich schnell entwickelt. Lithiumbatterien haben alle Bereiche unseres Lebens durchdrungen und haben auch in Zukunft noch enorme Entwicklungsperspektiven.
Ich hoffe, der obige Inhalt ist für Sie hilfreich, weitere Informationen werden kontinuierlich aktualisiert, bis zur nächsten Ausgabe.