Sviluppo e Struttura delle Batterie al Litio

La batteria al litio è un nuovo tipo di batteria ad alta energia sviluppata con successo nel XX secolo. Con la proposta di "neutralità carbonica" e "picco di carbonio", la batteria al litio è diventata il centro di attenzione da parte di tutti i settori. Oggi, CHNL ti guiderà a comprendere lo sviluppo e la struttura della batteria al litio.

Introduzione alle batterie al litio

Le batterie al litio possono essere intese come batterie contenenti elementi di litio (inclusi litio metallico, leghe di litio, ioni di litio, polimeri di litio), e possono essere suddivise in batterie al litio metallico (molto raramente prodotte e utilizzate) e batterie al litio (ampiamente utilizzate oggi). Grazie alla loro alta energia specifica, alta tensione della batteria, ampio intervallo di temperatura operativa e lunga durata di conservazione, sono state ampiamente utilizzate in piccoli apparecchi elettrici militari e civili, come telefoni cellulari, computer portatili, videocamere, fotocamere, ecc., sostituendo parzialmente le batterie tradizionali.

L'origine e lo sviluppo delle batterie al litio

Negli anni '70, M.S. Whittingham di Exxon utilizzò solfuro di titanio come materiale per l'elettrodo positivo e litio metallico come materiale per l'elettrodo negativo per realizzare la prima batteria al litio.
Nel 1980, J. Goodenough scoprì che l'ossido di cobalto di litio poteva essere utilizzato come materiale catodico per batterie al litio.

Nel 1982, R.R. Agarwal e J.R. Selman dell'Illinois Institute of Technology scoprirono che gli ioni di litio hanno la caratteristica di intercalare il grafite, e questo processo è rapido e reversibile. Allo stesso tempo, i rischi di sicurezza delle batterie al litio realizzate con litio metallico hanno attirato molta attenzione. Pertanto, si è cercato di utilizzare le caratteristiche degli ioni di litio inseriti nel grafite per realizzare batterie ricaricabili. Il primo elettrodo al grafite per ioni di litio utilizzabile fu prodotto con successo in prova presso i Bell Laboratories.

Nel 1983, M. Thackeray, J. Goodenough e altri scoprirono che lo spinello di manganese è un eccellente materiale catodico, con basso costo, stabilità e ottima conducibilità e conducibilità al litio. La sua temperatura di decomposizione è elevata, e la sua proprietà ossidante è molto inferiore a quella dell'ossido di cobalto di litio. Anche in caso di cortocircuito o sovraccarico, può evitare il pericolo di incendio ed esplosione.
Nel 1991, Sony rilasciò la prima batteria al litio commerciale. Successivamente, le batterie al litio rivoluzionarono il volto dell'elettronica di consumo.

Nel 1996, Padhi e Goodenough scoprirono che i fosfati con struttura olivina, come il fosfato di ferro al litio (LiFePO4), sono superiori ai materiali catodici tradizionali, quindi sono diventati i materiali catodici mainstream attuali.
Le batterie al litio (batterie Li-ion) si sono sviluppate dalle batterie al litio. Quindi, prima di introdurre le Li-ion, introduciamo prima le batterie al litio. Ad esempio, una batteria a bottone è una batteria al litio. Il materiale dell'elettrodo positivo della batteria al litio è diossido di manganese o cloruro di tionile, e l'elettrodo negativo è litio. Dopo l'assemblaggio della batteria, la batteria ha tensione e non necessita di essere caricata. Questo tipo di batteria può anche essere caricata, ma le prestazioni del ciclo non sono buone. Durante il ciclo di carica e scarica, è facile formare dendriti di litio, causando un cortocircuito interno della batteria, quindi in generale questo tipo di batteria è vietato caricarla.

Successivamente, la Sony Corporation del Giappone inventò una batteria al litio con materiale carbonioso come elettrodo negativo e un composto contenente litio come elettrodo positivo. Durante il processo di carica e scarica, non c'è litio metallico, solo ioni di litio. Questa è una batteria al litio.
All'inizio degli anni '90, la Sony Energy Development Corporation del Giappone e la Moli Energy Corporation del Canada svilupparono con successo nuove batterie agli ioni di litio, che non solo hanno buone prestazioni, ma non inquinano l'ambiente. Con il rapido sviluppo della tecnologia dell'informazione, delle macchine portatili e dei veicoli elettrici, la domanda di fonti di energia ad alta efficienza è cresciuta rapidamente, e le batterie al litio sono diventate uno dei campi in più rapida crescita.

La struttura della batteria al litio

I componenti principali delle batterie al litio:
(1) Elettrodo positivo - i materiali attivi si riferiscono principalmente a ossido di cobalto di litio, manganato di litio, fosfato di ferro al litio, nichelato di litio, nichel cobalto manganato di litio, ecc. Il collettore di corrente conduttivo generalmente utilizza una lamina di alluminio con uno spessore di 10-20 micron;
(2) Diaframma - una pellicola plastica speciale che permette il passaggio degli ioni di litio, ma è un isolante elettronico. Attualmente, ci sono principalmente PE e PP e le loro combinazioni. Esiste anche un tipo di diaframma solido inorganico, come il rivestimento del diaframma di allumina che è un tipo di diaframma solido inorganico;

(3) Elettrodo negativo - il materiale attivo si riferisce principalmente a grafite, titanate di litio o materiale carbonioso con una struttura simile alla grafite, e il collettore di corrente conduttivo generalmente utilizza una lamina di rame con uno spessore di 7-15 micron;
(4) Elettrolita - generalmente un sistema organico, come un solvente carbonato dissolto con esafluorofosfato di litio, e alcune batterie polimeriche utilizzano un elettrolita gel;
(5) Custodia della batteria - principalmente divisa in due tipi: custodia rigida (custodia in acciaio, custodia in alluminio, custodia in ferro nichelato, ecc.) e custodia morbida (pellicola alluminio-plastica).

Quando la batteria è caricata, gli ioni di litio vengono deintercalati dall'elettrodo positivo e intercalati nell'elettrodo negativo, e viceversa durante la scarica. Ciò richiede che un elettrodo sia in uno stato di intercalazione del litio prima dell'assemblaggio. Generalmente, si seleziona come elettrodo positivo un ossido di metallo di transizione con intercalazione di litio con un potenziale superiore a 3V rispetto al litio e stabile all'aria, come LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Come materiale dell'elettrodo negativo, si seleziona un composto di litio intercalabile con un potenziale il più vicino possibile a quello del litio, come vari materiali carboniosi inclusi grafite naturale, grafite sintetica, fibra di carbonio, carbonio sferico mesofase, ecc. e ossidi metallici, inclusi SnO, SnO2, ossido composito di stagno SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) ecc.
L'elettrolita adotta un sistema di solventi misti di LiPF6 carbonato di etilene (EC), carbonato di propilene (PC) e carbonato di dietile (DEC) a bassa viscosità e altri carbonati alchilici.

Il diaframma adotta una pellicola microporosa di poliolefine come PE, PP o la loro pellicola composita, in particolare il diaframma a tre strati PP/PE/PP non solo ha un basso punto di fusione, ma anche un'alta resistenza alla perforazione, che svolge un ruolo di assicurazione termica.
Il guscio è realizzato in acciaio o alluminio, e l'assemblaggio del coperchio ha la funzione di esplosione e interruzione di corrente.
Bene, quanto sopra riguarda le batterie al litio oggi. Dalla nascita delle batterie al litio nel 1970, si sono sviluppate rapidamente. Le batterie al litio hanno penetrato in tutti gli aspetti della nostra vita, e ci sono ancora enormi prospettive di sviluppo in futuro.
Spero che il contenuto sopra ti sia utile, ulteriori informazioni saranno continuamente aggiornate, ci vediamo nel prossimo numero.