Pengembangan dan Struktur Baterai Litium

Baterai lithium adalah jenis baru baterai berenergi tinggi yang berhasil dikembangkan pada abad ke-20. Dengan munculnya usulan "netral karbon" dan "puncak karbon", baterai lithium telah menjadi fokus perhatian dari berbagai kalangan. Hari ini, CHNL akan memandu Anda untuk memahami perkembangan dan struktur baterai lithium.

Pengenalan Baterai Lithium

Baterai lithium dapat dipahami sebagai baterai yang mengandung unsur lithium (termasuk lithium logam, paduan lithium, ion lithium, polimer lithium), dan dapat dibagi menjadi baterai lithium logam (sangat jarang diproduksi dan digunakan) dan baterai lithium-ion (banyak digunakan saat ini). Karena energi spesifiknya yang tinggi, tegangan baterai yang tinggi, rentang suhu operasi yang luas, dan masa simpan yang lama, baterai ini telah banyak digunakan dalam peralatan listrik kecil militer dan sipil, seperti ponsel, komputer portabel, kamera video, kamera, dll., sebagian menggantikan baterai tradisional.

Asal Usul dan Perkembangan Baterai Lithium

Pada tahun 1970-an, M.S. Whittingham dari Exxon menggunakan titanium sulfida sebagai bahan elektroda positif dan lithium logam sebagai bahan elektroda negatif untuk membuat baterai lithium pertama.
Pada tahun 1980, J. Goodenough menemukan bahwa lithium kobalt oksida dapat digunakan sebagai bahan katoda untuk baterai lithium.

Pada tahun 1982, R.R.Agarwal dan J.R.Selman dari Illinois Institute of Technology menemukan bahwa ion lithium memiliki karakteristik untuk menginterkalasi grafit, dan proses ini cepat serta dapat dibalik. Pada saat yang sama, bahaya keselamatan dari baterai lithium yang terbuat dari lithium logam menarik banyak perhatian. Oleh karena itu, orang mencoba menggunakan karakteristik ion lithium yang tertanam dalam grafit untuk membuat baterai isi ulang. Elektroda grafit lithium-ion yang dapat digunakan pertama kali berhasil diproduksi secara percobaan di Bell Laboratories.

Pada tahun 1983, M. Thackeray, J. Goodenough dan lainnya menemukan bahwa mangan spinel adalah bahan katoda yang sangat baik, dengan harga rendah, stabilitas dan konduktivitas yang sangat baik serta konduktivitas lithium. Suhu dekomposisinya tinggi, dan sifat oksidannya jauh lebih rendah dibandingkan lithium kobalt oksida. Bahkan jika terjadi hubung singkat atau pengisian berlebih, dapat menghindari bahaya kebakaran dan ledakan.
Pada tahun 1991, Sony merilis baterai lithium komersial pertama. Selanjutnya, baterai lithium merevolusi dunia elektronik konsumen.

Pada tahun 1996, Padhi dan Goodenough menemukan bahwa fosfat dengan struktur olivin, seperti lithium besi fosfat (LiFePO4), lebih unggul dibandingkan bahan katoda tradisional, sehingga menjadi bahan katoda utama saat ini.
Baterai lithium (Li-ion Batteries) dikembangkan dari baterai lithium. Jadi sebelum memperkenalkan Li-ion, mari kita perkenalkan dulu baterai lithium. Misalnya, baterai kancing adalah baterai lithium. Bahan elektroda positif baterai lithium adalah mangan dioksida atau thionyl klorida, dan elektroda negatif adalah lithium. Setelah baterai dirakit, baterai memiliki tegangan dan tidak perlu diisi ulang. Jenis baterai ini juga dapat diisi ulang, tetapi kinerja siklusnya tidak baik. Selama siklus pengisian dan pengosongan, mudah terbentuk dendrit lithium, yang menyebabkan hubung singkat internal baterai, jadi secara umum, baterai jenis ini dilarang untuk diisi ulang.

Kemudian, Sony Corporation dari Jepang menemukan baterai lithium dengan bahan karbon sebagai elektroda negatif dan senyawa yang mengandung lithium sebagai elektroda positif. Selama proses pengisian dan pengosongan, tidak ada lithium logam, hanya ion lithium. Ini adalah baterai lithium-ion.
Pada awal 1990-an, Sony Energy Development Corporation Jepang dan Moli Energy Corporation Kanada berhasil mengembangkan baterai lithium-ion baru yang tidak hanya berkinerja baik, tetapi juga tidak mencemari lingkungan. Dengan perkembangan pesat teknologi informasi, mesin genggam dan kendaraan listrik, permintaan akan sumber daya listrik yang efisien tumbuh pesat, dan baterai lithium menjadi salah satu bidang dengan pertumbuhan tercepat.

Struktur Baterai Lithium

Komponen utama baterai lithium:
(1) Elektroda positif - bahan aktif terutama mengacu pada lithium kobalt oksida, lithium manganat, lithium besi fosfat, lithium nikelat, lithium nikel kobalt manganat, dll. Kolektor arus konduktif umumnya menggunakan foil aluminium dengan ketebalan 10--20 mikron;
(2) Diafragma - film plastik khusus yang memungkinkan ion lithium melewati, tetapi merupakan isolator elektronik. Saat ini, terutama PE dan PP serta kombinasi keduanya. Ada juga jenis diafragma padat anorganik, seperti pelapisan diafragma alumina yang merupakan jenis diafragma padat anorganik;

(3) Elektroda negatif - bahan aktif terutama mengacu pada grafit, lithium titanate, atau bahan karbon dengan struktur mirip grafit, dan kolektor arus konduktif umumnya menggunakan foil tembaga dengan ketebalan 7-15 mikron;
(4) Elektrolit - umumnya sistem organik, seperti pelarut karbonat yang dilarutkan dengan lithium hexafluorophosphate, dan beberapa baterai polimer menggunakan elektrolit gel;
(5) Casing baterai - terutama dibagi menjadi dua jenis: hard case (casing baja, casing aluminium, casing besi berlapis nikel, dll.) dan soft case (film aluminium-plastik).

Saat baterai diisi, ion lithium dideinterkalasi dari elektroda positif dan diinterkalasi ke elektroda negatif, dan sebaliknya saat pengosongan. Ini membutuhkan elektroda dalam keadaan interkalasi lithium sebelum perakitan. Umumnya, oksida logam transisi interkalasi lithium dengan potensial lebih besar dari 3V relatif terhadap lithium dan stabil di udara dipilih sebagai elektroda positif, seperti LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Sebagai bahan elektroda negatif, senyawa lithium interkalasi dengan potensial sedekat mungkin dengan potensial lithium dipilih, seperti berbagai bahan karbon termasuk grafit alami, grafit sintetis, serat karbon, karbon bola mesofase, dll. dan oksida logam, termasuk SnO, SnO2, oksida komposit timah SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) dll.
Elektrolit menggunakan sistem pelarut campuran LiPF6 karbonat etilen (EC), karbonat propilen (PC) dan karbonat dietil (DEC) dengan viskositas rendah serta karbonat alkil lainnya.

Diafragma menggunakan film mikropori poliolefin seperti PE, PP atau film kompositnya, terutama diafragma tiga lapis PP/PE/PP yang tidak hanya memiliki titik leleh rendah, tetapi juga tahan tusukan tinggi, yang berfungsi sebagai asuransi termal.
Cangkang terbuat dari baja atau aluminium, dan rakitan penutup memiliki fungsi tahan ledakan dan pemutus daya.
Baiklah, di atas adalah semua tentang baterai lithium hari ini. Sejak lahirnya baterai lithium pada tahun 1970, baterai ini berkembang pesat. Baterai lithium telah meresap ke semua aspek kehidupan kita, dan masih memiliki prospek pengembangan yang sangat besar di masa depan.
Saya harap konten di atas bermanfaat bagi Anda, informasi lebih lanjut akan terus diperbarui, sampai jumpa di edisi berikutnya.