Litiumakkujen kehitys ja rakenne

Litiumakku on 20. vuosisadalla onnistuneesti kehitetty uudenlainen korkeaenerginen akku. "Hiilineutraaliuden" ja "hiippakohdan" ehdotuksen myötä litiumakku on noussut eri alojen huomion keskipisteeksi. Tänään CHNL johdattaa sinut ymmärtämään litiumakun kehitystä ja rakennetta.

Johdanto litiumakkuihin

Litiumakut voidaan ymmärtää akuiksi, jotka sisältävät litiumelementtejä (mukaan lukien metallilitium, litiumseokset, litiumionit, litiumpolymeerit), ja ne voidaan jakaa litiummetalliparistoihin (hyvin harvoin valmistettuja ja käytettyjä) ja litiumioniakkuihin (joita käytetään nykyään laajasti). Korkean ominaisenergian, korkean jännitteen, laajan käyttölämpötila-alueen ja pitkän varastointiajan ansiosta niitä on laajasti käytetty sotilaallisissa ja siviilikäyttöisissä pienissä sähkölaitteissa, kuten matkapuhelimissa, kannettavissa tietokoneissa, videokameroissa, kameroissa jne., osittain korvaten perinteiset akut.

Litiumakkujen alkuperä ja kehitys

1970-luvulla Exxonin M.S. Whittingham käytti titaniumsulfidia positiivisena elektrodimateriaalina ja metallilitiumia negatiivisena elektrodimateriaalina tehdäkseen ensimmäisen litiumakun.
Vuonna 1980 J. Goodenough löysi, että litiumkobalttioksidia voidaan käyttää litiumakkujen katodimateriaalina.

Vuonna 1982 Illinoisin teknillisen instituutin (Illinois Institute of Technology) R.R. Agarwal ja J.R. Selman havaitsivat, että litiumioneilla on ominaisuus interkaloitua grafiittiin, ja tämä prosessi on nopea ja palautuva. Samanaikaisesti metallilitiumista valmistettujen litiumakkujen turvallisuusuhat herättivät paljon huomiota. Siksi on yritetty käyttää litiumionien grafiittiin upottamisen ominaisuutta ladattavien akkujen valmistukseen. Ensimmäinen käyttökelpoinen litiumioni-grafiittielektrodi onnistuttiin koevalmistamaan Bell Laboratoriesissa.

Vuonna 1983 M. Thackeray, J. Goodenough ja muut löysivät, että mangaanispinelli on erinomainen katodimateriaali, jolla on alhainen hinta, stabiilisuus sekä erinomainen johtavuus ja litiuminjohtavuus. Sen hajoamislämpötila on korkea, ja sen hapettavuus on paljon alhaisempi kuin litiumkobalttioksidilla. Vaikka esiintyisi oikosulku tai ylilataus, se voi välttää palamisen ja räjähdyksen vaaran.
Vuonna 1991 Sony julkaisi ensimmäisen kaupallisen litiumakun. Tämän jälkeen litiumakut mullistivat kulutuselektroniikan.

Vuonna 1996 Padhi ja Goodenough löysivät, että oliviinirakenteiset fosfaatit, kuten litiumrautafosfaatti (LiFePO4), ovat perinteisiä katodimateriaaleja parempia, joten ne ovat nykyisiä valtavirran katodimateriaaleja.
Litiumakut (Li-ion-akut) ovat kehittyneet litiumakuista. Joten ennen Li-ionin esittelyä, esitellään ensin litiumakut. Esimerkiksi nappiparisto on litiumakku. Litiumakun positiivinen elektrodimateriaali on mangaanidioksidi tai tionylikloridi, ja negatiivinen elektrodi on litium. Kun akku on koottu, akulla on jännite eikä sitä tarvitse ladata. Tällainen akku voidaan myös ladata, mutta sen syklinen suorituskyky ei ole hyvä. Lataus- ja purkusyklin aikana litiumdendriittien muodostuminen on helppoa, mikä aiheuttaa akun sisäisen oikosulun, joten yleisesti ottaen tämän tyyppistä akkua ei saa ladata.

Myöhemmin Japanin Sony Corporation keksi litiumakun, jossa hiilimateriaali toimii negatiivisena elektrodina ja litiumia sisältävä yhdiste positiivisena elektrodina. Lataus- ja purkuprosessin aikana metallilitiumia ei ole, vaan vain litiumioneja. Tämä on litiumioniakku.
1990-luvun alussa Japanin Sony Energy Development Corporation ja Kanadan Moli Energy Corporation kehittivät menestyksekkäästi uusia litiumioniakkuja, jotka eivät ainoastaan toimi hyvin, vaan eivät myöskään saastuta ympäristöä. Tietotekniikan, kannettavien laitteiden ja sähköajoneuvojen nopean kehityksen myötä tehokkaiden virtalähteiden kysyntä on kasvanut nopeasti, ja litiumakut ovat yksi nopeimmin kasvavista aloista.

Litiumakun rakenne

Litiumakkujen pääkomponentit:
(1) Positiivinen elektrodi – aktiiviset materiaalit viittaavat pääasiassa litiumkobalttioksidiin, litiummanganaattiin, litiumrautafosfaattiin, litiumnikkelaattiin, litium-nikkeli-koboltti-manganaattiin jne. Johteena käytetään yleensä 10–20 mikronin paksuista alumiinifoliota;
(2) Kalvo – erityinen muovikalvo, joka sallii litiumionien kulun, mutta on sähköinen eriste. Tällä hetkellä pääasiassa PE ja PP sekä niiden yhdistelmät. On myös eräänlainen epäorgaaninen kiinteä kalvo, kuten alumiinioksidikalvopinnoite, joka on eräänlainen epäorgaaninen kiinteä kalvo;

(3) Negatiivinen elektrodi – aktiivinen materiaali viittaa pääasiassa grafiittiin, litiumtitanaattiin tai hiilimateriaaliin, jolla on samankaltainen grafiittirakenne, ja johteena käytetään yleensä 7–15 mikronin paksuista kuparifoliota;
(4) Elektrolyytti – yleensä orgaaninen järjestelmä, kuten litiumheksafluorifosfaattia liuotettuna karbonaattihaihtimessa, ja joissakin polymeerisoluissa käytetään geeli-elektrolyyttiä;
(5) Akun kotelo – jaetaan pääasiassa kahteen tyyppiin: kovakotelo (teräskotelo, alumiinikotelo, nikkelöity rautakotelo jne.) ja pehmeä kotelo (alumiini-muovikalvo).

Ladattaessa akkuun litiumionit poistuvat positiivisesta elektrodista ja siirtyvät negatiiviseen elektrodiin, ja purkautuessa päinvastoin. Tämä vaatii, että elektrodi on litiumin interkalointitilassa ennen kokoonpanoa. Yleensä positiivisena elektrodina valitaan litiumiin nähden yli 3 V potentiaalinen ja ilmassa stabiili litiumin interkalointisiirtymämetallioksidi, kuten LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Negatiivisen elektrodin materiaaliksi valitaan mahdollisimman lähellä litiumin potentiaalia oleva interkaloituva litiumyhdiste, kuten erilaiset hiilimateriaalit, mukaan lukien luonnollinen grafiitti, synteettinen grafiitti, hiilikuitu, mesofaasipallomainen hiili jne., sekä metallioksidit, mukaan lukien SnO, SnO2, tin-yhdisteinen oksidi SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) jne.
Elektrolyyttinä käytetään LiPF6-etyylikarbonaatin (EC), propyleenikarbonaatin (PC) ja matalaviskoosisen dietyyli-karbonaatin (DEC) ja muiden alkyylikarbonaattien seosliuosta.

Kalvona käytetään polyolefiinimikroporista kalvoa, kuten PE, PP tai niiden yhdistelmäkalvoa, erityisesti PP/PE/PP kolmi-kerroksinen kalvo, jolla on matala sulamispiste ja korkea puhkeamiskestävyys, mikä toimii lämpöturvana.
Kotelo on valmistettu teräksestä tai alumiinista, ja kansikokoonpanolla on räjähdyssuoja- ja virrankatkaisuominaisuudet.
No, yllä oli kaikki tänään litiumakuista. Litiumakkujen syntymästä vuonna 1970 ne ovat kehittyneet nopeasti. Litiumakut ovat läpäisseet elämämme kaikki osa-alueet, ja tulevaisuudessa niillä on edelleen valtavat kehitysnäkymät.
Toivon, että yllä oleva sisältö on sinulle hyödyllinen, lisää tietoa päivitetään jatkuvasti, nähdään seuraavassa numerossa.