Entwicklung und Struktur von Lithiumbatterien

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

Einführung in Lithium-Batterien

Lithium-Batterien können als Batterien verstanden werden, die Lithium-Elemente enthalten (einschließlich metallischem Lithium, Lithium-Legierungen, Lithium-Ionen, Lithium-Polymeren) und in Lithium-Metall-Batterien (sehr selten produziert und verwendet) und Lithium-Batterien (eine große Anzahl von Anwendungen heute) unterteilt werden können. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Energie, hohen Batteriespannung, breiten Betriebstemperaturspanne und langen Lagerlebensdauer werden sie in militärischen und zivilen kleinen Elektrogeräten weit verbreitet eingesetzt, wie z.B. Mobiltelefonen, tragbaren Computern, Videokameras, Kameras usw., und ersetzen teilweise traditionelle Batterien.

Der Ursprung und die Entwicklung der Lithium-Batterien

In den 1970er Jahren verwendete M.S. Whittingham von Exxon Titansulfid als positives Elektrodenmaterial und metallisches Lithium als negatives Elektrodenmaterial, um die erste Lithium-Batterie herzustellen.
1980 entdeckte J. Goodenough, dass Lithium-Cobaltoxid als Kathodenmaterial für Lithium-Batterien verwendet werden kann.

1982 entdeckten R.R. Agarwal und J.R. Selman vom Illinois Institute of Technology, dass Lithium-Ionen die Eigenschaften des Interkalierens von Graphit besitzen und dieser Prozess schnell und reversibel ist. Gleichzeitig haben die Sicherheitsrisiken von Lithium-Batterien aus metallischem Lithium viel Aufmerksamkeit erregt. Daher haben die Menschen versucht, die Eigenschaften von Lithium-Ionen, die in Graphit eingebettet sind, zu nutzen, um wiederaufladbare Batterien herzustellen. Die erste verwendbare Lithium-Ionen-Graphit-Elektrode wurde erfolgreich in den Bell Laboratories getestet.

1983 fanden M. Thackeray, J. Goodenough und andere heraus, dass Mangan-Spinel ein ausgezeichnetes Kathodenmaterial ist, mit niedrigem Preis, Stabilität und hervorragender Leitfähigkeit sowie Lithium-Leitfähigkeit. Seine Zersetzungstemperatur ist hoch, und seine Oxidationseigenschaft ist viel niedriger als die von Lithium-Cobaltoxid. Selbst bei einem Kurzschluss oder einer Überladung kann es die Gefahr von Brand und Explosion vermeiden.
1991 brachte Sony die erste kommerzielle Lithium-Batterie auf den Markt. In der Folge revolutionierten Lithium-Batterien das Gesicht der Unterhaltungselektronik.

1996 fanden Padhi und Goodenough heraus, dass Phosphate mit einer Olivinstruktur, wie Lithium-Eisen-Phosphat (LiFePO4), den traditionellen Kathodenmaterialien überlegen sind, sodass sie zu den aktuellen Hauptkathodenmaterialien geworden sind.
Lithium-Batterien (Li-Ionen-Batterien) wurden aus Lithium-Batterien entwickelt. Bevor wir Li-Ionen einführen, lassen Sie uns zunächst Lithium-Batterien vorstellen. Zum Beispiel ist eine Knopfzellenbatterie eine Lithium-Batterie. Das positive Elektrodenmaterial der Lithium-Batterie ist Mangan-Dioxid oder Thionylchlorid, und die negative Elektrode ist Lithium. Nachdem die Batterie zusammengebaut wurde, hat die Batterie Spannung und muss nicht aufgeladen werden. Diese Art von Batterie kann auch aufgeladen werden, aber die Zyklusleistung ist nicht gut. Während des Lade- und Entladezyklus ist es leicht, Lithium-Dendriten zu bilden, was zu einem internen Kurzschluss der Batterie führt, sodass im Allgemeinen das Aufladen dieser Art von Batterie verboten ist.

Später erfand die Sony Corporation aus Japan eine Lithium-Batterie mit Kohlenstoffmaterial als negativer Elektrode und einer lithiumhaltigen Verbindung als positiver Elektrode. Während des Lade- und Entladeprozesses gibt es kein metallisches Lithium, nur Lithium-Ionen. Das ist eine Lithium-Batterie.
In den frühen 1990er Jahren entwickelten die Sony Energy Development Corporation aus Japan und die Moli Energy Corporation aus Kanada erfolgreich neue Lithium-Ionen-Batterien, die nicht nur gut funktionieren, sondern auch die Umwelt nicht verschmutzen. Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie, tragbaren Maschinen und Elektrofahrzeugen ist die Nachfrage nach hocheffizienten Energiequellen schnell gewachsen, und Lithium-Batterien sind eines der am schnellsten wachsenden Felder geworden.

Die Struktur der Lithium-Batterie

Die Hauptkomponenten von Lithium-Batterien:
(1) Positive Elektrode - aktive Materialien beziehen sich hauptsächlich auf Lithium-Cobaltoxid, Lithium-Manganat, Lithium-Eisen-Phosphat, Lithium-Nickelat, Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat usw. Der leitende Stromsammler verwendet in der Regel Aluminiumfolie mit einer Dicke von 10–20 Mikrometern;
(2) Diaphragma - eine spezielle Kunststofffolie, die es Lithium-Ionen ermöglicht, hindurchzugehen, aber ein elektrischer Isolator ist. Derzeit gibt es hauptsächlich PE und PP und deren Kombinationen. Es gibt auch eine Art anorganisches Festkörper-Diaphragma, wie Alumina-Diaphragma-Beschichtung, die eine Art anorganisches Festkörper-Diaphragma ist;

(3) Negative Elektrode - das aktive Material bezieht sich hauptsächlich auf Graphit, Lithium-Titanat oder Kohlenstoffmaterial mit einer ähnlichen Graphitstruktur, und der leitende Stromsammler verwendet in der Regel Kupferfolie mit einer Dicke von 7-15 Mikrometern;
(4) Elektrolyt - in der Regel ein organisches System, wie ein Carbonat-Lösungsmittel, das mit Lithium-Hexafluorophosphat gelöst ist, und einige Polymerbatterien verwenden ein Gel-Elektrolyt;
(5) Batteriekörper - hauptsächlich in zwei Typen unterteilt: Hartgehäuse (Stahlgehäuse, Aluminiumgehäuse, nickelbeschichtetes Eisen-Gehäuse usw.) und Weichgehäuse (Aluminium-Kunststoff-Folie).

Wenn die Batterie aufgeladen wird, werden Lithium-Ionen von der positiven Elektrode deinterkalisiert und in die negative Elektrode interkalisiert, und umgekehrt beim Entladen. Dies erfordert, dass eine Elektrode vor der Montage in einem Lithium-Interkalationszustand ist. In der Regel wird ein Lithium-Interkalations-Übergangsmetalloxid mit einem Potenzial von mehr als 3V relativ zu Lithium und stabil in der Luft als positive Elektrode ausgewählt, wie LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Als Material der negativen Elektrode wird eine interkalierbare Lithiumverbindung mit einem Potenzial ausgewählt, das so nah wie möglich am Lithium-Potenzial liegt, wie verschiedene Kohlenstoffmaterialien einschließlich natürlichem Graphit, synthetischem Graphit, Kohlenstofffaser, mesophase kugelförmigem 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) und anderen Alkylcarbonaten.

Das Diaphragma verwendet polyolefinische mikroporöse Folie wie PE, PP oder deren Verbundfolie, insbesondere das PP/PE/PP-Dreischicht-Diaphragma hat nicht nur einen niedrigen Schmelzpunkt, sondern auch eine hohe Durchstoßfestigkeit, die eine Rolle beim thermischen Schutz spielt.
Das Gehäuse besteht aus Stahl oder Aluminium, und die Abdeckmontage hat die Funktion des Explosionsschutzes und der Stromabschaltung.
Nun, das ist alles über Lithium-Batterien heute. Seit der Geburt der Lithium-Batterien im Jahr 1970 haben sie sich schnell entwickelt. Lithium-Batterien sind in alle Aspekte unseres Lebens eingedrungen, und es gibt immer noch riesige Entwicklungsperspektiven in der Zukunft.
Ich hoffe, der obige Inhalt ist hilfreich für Sie, weitere Informationen werden kontinuierlich aktualisiert, bis zum nächsten Mal.