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Desarrollo y Estructura de Baterías de Litio

La batería de litio es un nuevo tipo de batería de alta energía desarrollada con éxito en el siglo XX. Con la propuesta de "neutralidad de carbono" y "pico de carbono", la batería de litio se ha convertido en el foco de atención de todos los ámbitos de la vida. Hoy, CHNL lo llevará a comprender el desarrollo y la estructura de la batería de litio.

Introducción a las baterías de litio

Las baterías de litio pueden entenderse como baterías que contienen elementos de litio (incluyendo litio metálico, aleaciones de litio, iones de litio, polímeros de litio), y pueden dividirse en baterías de metal de litio (muy raramente producidas y utilizadas) y baterías de litio (una gran cantidad de uso en la actualidad). ). Debido a su alta energía específica, alto voltaje de la batería, amplio rango de temperatura de funcionamiento y larga vida útil de almacenamiento, se ha utilizado ampliamente en pequeños aparatos eléctricos militares y civiles, como teléfonos móviles, computadoras portátiles, cámaras de video, cámaras, etc. reemplazando parcialmente las baterías tradicionales. .

El origen y desarrollo de las baterías de litio

En la década de 1970, M.S. Whittingham de Exxon usó sulfuro de titanio como material de electrodo positivo y litio metálico como material de electrodo negativo para fabricar la primera batería de litio.
En 1980, J. Goodenough descubrió que el óxido de litio y cobalto podría usarse como material de cátodo para baterías de litio .

En 1982, R.R.Agarwal y J.R.Selman del Instituto de Tecnología de Illinois (Instituto de Tecnología de Illinois) descubrieron que los iones de litio tienen las características del grafito intercalado, y este proceso es rápido y reversible. Al mismo tiempo, los riesgos de seguridad de las baterías de litio hechas de metal litio han llamado mucho la atención. Por lo tanto, la gente ha tratado de utilizar las características de los iones de litio incrustados en el grafito para fabricar baterías recargables. El primer electrodo de grafito de iones de litio utilizable se produjo con éxito en los laboratorios Bell.

En 1983, M. Thackeray, J. Goodenough y otros descubrieron que la espinela de manganeso es un excelente material de cátodo, con bajo precio, estabilidad y excelente conductividad y conductividad de litio. Su temperatura de descomposición es alta y su propiedad oxidante es mucho más baja que la del óxido de litio y cobalto. Incluso si hay un cortocircuito o una sobrecarga, puede evitar el peligro de quemaduras y explosiones.
En 1991, Sony lanzó la primera batería de litio comercial. Posteriormente, las baterías de litio revolucionaron la cara de la electrónica de consumo.

En 1996, Padhi y Goodenough descubrieron que los fosfatos con una estructura de olivino, como el fosfato de hierro y litio (LiFePO4), son más superiores que los materiales catódicos tradicionales, por lo que se han convertido en los principales materiales catódicos actuales.
Baterías de litio ( Baterías de iones de litio) se desarrollan a partir de baterías de litio. Entonces, antes de presentar Li-ion, primero presentemos las baterías de litio. Por ejemplo, una pila de botón es una pila de litio. El material del electrodo positivo de la batería de litio es dióxido de manganeso o cloruro de tionilo, y el electrodo negativo es litio. Después de ensamblar la batería, la batería tiene voltaje y no necesita cargarse. Este tipo de batería también se puede cargar, pero el rendimiento del ciclo no es bueno. Durante el ciclo de carga y descarga, es fácil formar dendritas de litio, lo que provoca un cortocircuito interno de la batería, por lo que, en general, está prohibido cargar este tipo de batería.

Más tarde, Sony Corporation de Japón inventó una batería de litio con material de carbono como electrodo negativo y un compuesto que contiene litio como electrodo positivo. Durante el proceso de carga y descarga, no hay litio metálico, solo iones de litio. Esta es una batería de litio.
A principios de la década de 1990, Sony Energy Development Corporation de Japón y Moli Energy Corporation de Canadá desarrollaron con éxito nuevas baterías de iones de litio, que no solo funcionan bien, sino que tampoco contaminan el medio ambiente.Con el rápido desarrollo de la tecnología de la información, la maquinaria manual y los vehículos eléctricos, la demanda de fuentes de energía de alta eficiencia ha crecido rápidamente y las baterías de litio se han convertido en uno de los campos de mayor crecimiento

La estructura de la batería de litio

Los componentes principales de las baterías de litio:
(1) Electrodo positivo: los materiales activos se refieren principalmente a óxido de cobalto de litio, manganato de litio, fosfato de hierro y litio, niquelato de litio, manganato de cobalto de níquel y litio, etc. El colector de corriente conductora generalmente utiliza papel de aluminio con un espesor de 10 a 20 micrones;
(2) Diafragma: una película de plástico especial que permite el paso de iones de litio, pero es un aislante electrónico. Actualmente existen principalmente PE y PP y sus combinaciones. También hay un tipo de diafragma sólido inorgánico, como el revestimiento del diafragma de alúmina, que es un tipo de diafragma sólido inorgánico;

(3) Electrodo negativo: el material activo se refiere principalmente a grafito, titanato de litio o material de carbono con una estructura de grafito similar, y el colector de corriente conductora generalmente usa una lámina de cobre con un espesor de 7-15 micrones;
(4) Electrolito: generalmente un sistema orgánico, como un solvente de carbonato disuelto con hexafluorofosfato de litio, y algunas baterías de polímero usan un electrolito de gel;
(5) Caja de batería: dividida principalmente en dos tipos: caja dura (caja de acero, caja de aluminio, caja de hierro niquelado, etc.) y caja blanda (película de aluminio y plástico).

Cuando la batería está cargada, los iones de litio se desintercalan del electrodo positivo y se intercalan en el electrodo negativo, y viceversa durante la descarga. Esto requiere que un electrodo esté en un estado de intercalación de litio antes del ensamblaje. En general, se selecciona como electrodo positivo un óxido de metal de transición de intercalación de litio con un potencial superior a 3 V en relación con el litio y estable en el aire, como LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Como material del electrodo negativo, un litio intercalable Se selecciona un compuesto con un potencial lo más cercano posible al potencial de litio, como varios materiales de carbono que incluyen grafito natural, grafito sintético, fibra de carbono, mesofase de carbono esférico, etc. y óxidos metálicos, incluidos SnO, SnO2, óxido compuesto de estaño SnBxPyOz ( x=0,4~0,6, y=0,6~0,4, z=(2+3x+5y)/2), etc.
El electrolito adopta un sistema de disolvente mixto de carbonato de etileno LiPF6 (EC), carbonato de propileno (PC) y carbonato de dietilo de baja viscosidad (DEC) y otros carbonatos de alquilo.

El diafragma adopta una película microporosa de poliolefina como PE, PP o su película compuesta, especialmente el diafragma de tres capas PP/PE/PP no solo tiene un punto de fusión bajo, sino que también tiene una alta resistencia a la perforación, lo que juega un papel en el seguro térmico.
La carcasa está hecha de acero o aluminio, y el ensamblaje de la cubierta tiene la función de a prueba de explosiones y apagado.
Bueno, lo anterior se trata de las baterías de litio de hoy. Desde el nacimiento de las baterías de litio en 1970, se han desarrollado rápidamente. Las baterías de litio han penetrado en todos los aspectos de nuestras vidas y todavía hay grandes perspectivas de desarrollo en el futuro.
Espero que el contenido anterior le sea útil, se actualizará continuamente más información, nos vemos en el próximo número.

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