Ontwikkeling en Structuur van Lithiumbatterijen

Lithiumbatterij is een nieuw type hoogenergetische batterij die met succes is ontwikkeld in de 20e eeuw. Met het voorstel van "koolstofneutraliteit" en "koolstofpiek" is de lithiumbatterij het middelpunt van de belangstelling geworden vanuit alle lagen van de bevolking. Vandaag zal CHNL u leiden om de ontwikkeling en structuur van de lithiumbatterij te begrijpen.

Introductie tot lithiumbatterijen

Lithiumbatterijen kunnen worden begrepen als batterijen die lithiumelementen bevatten (inclusief metaal lithium, lithiumlegeringen, lithiumionen, lithiumpolymeren), en kunnen worden onderverdeeld in lithium-metaalbatterijen (zeer zelden geproduceerd en gebruikt) en lithiumbatterijen (een groot aantal gebruikt vandaag). Vanwege de hoge specifieke energie, hoge batterijspanning, brede bedrijfstemperatuurbereik en lange opslagduur, wordt het veel gebruikt in militaire en civiele kleine elektrische apparaten, zoals mobiele telefoons, draagbare computers, videocamera's, camera's, enz., en vervangt het gedeeltelijk traditionele batterijen. .

De oorsprong en ontwikkeling van lithiumbatterijen

In de jaren 70 gebruikte M.S. Whittingham van Exxon titaniumsulfide als het positieve elektrode materiaal en metallisch lithium als het negatieve elektrode materiaal om de eerste lithiumbatterij te maken.
In 1980 ontdekte J. Goodenough dat lithiumkobaltoxide gebruikt kon worden als kathodemateriaal voor lithiumbatterijen.

In 1982 ontdekten R.R. Agarwal en J.R. Selman van het Illinois Institute of Technology dat lithiumionen de eigenschap hebben om in grafiet te intercaleren, en dat dit proces snel en omkeerbaar is. Tegelijkertijd trokken de veiligheidsrisico's van lithiumbatterijen gemaakt van metallisch lithium veel aandacht. Daarom hebben mensen geprobeerd de eigenschappen van lithiumionen die in grafiet ingebed zijn te gebruiken om oplaadbare batterijen te maken. De eerste bruikbare lithium-ion grafietelektrode werd met succes proefmatig geproduceerd bij Bell Laboratories.

In 1983 ontdekten M. Thackeray, J. Goodenough en anderen dat mangaan spinel is een uitstekend kathodemateriaal, met een lage prijs, stabiliteit en uitstekende geleiding en lithiumgeleiding. De ontledingstemperatuur is hoog, en de oxiderende eigenschap is veel lager dan die van lithiumkobaltoxide. Zelfs bij een kortsluiting of overladen kan het het gevaar van brand en explosie vermijden.
In 1991 bracht Sony de eerste commerciële lithiumbatterij uit. Vervolgens hebben lithiumbatterijen het gezicht van consumentenelektronica revolutionair veranderd.

In 1996 ontdekten Padhi en Goodenough dat fosfaten met een olivijnstructuur, zoals lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), superieur zijn aan traditionele kathodematerialen, waardoor ze de huidige gangbare kathodematerialen zijn geworden.
Lithiumbatterijen (Li-ion Batterijen) wordt ontwikkeld uit lithiumbatterijen. Dus voordat we Li-ion introduceren, laten we eerst lithiumbatterijen introduceren. Bijvoorbeeld, een knoopcelbatterij is een lithiumbatterij. Het positieve elektrode materiaal van een lithiumbatterij is mangaanoxide of thionylchloride, en de negatieve elektrode is lithium. Nadat de batterij is geassembleerd, heeft de batterij spanning en hoeft deze niet te worden opgeladen. Dit soort batterij kan ook worden opgeladen, maar de cyclusprestaties zijn niet goed. Tijdens de laad- en ontlaadcyclus is het gemakkelijk om lithiumdendrieten te vormen, wat resulteert in een interne kortsluiting van de batterij, dus over het algemeen is het verboden om dit soort batterij op te laden.

Later, Sony Corporation of Japan invented a lithium battery with carbon material as the negative electrode and a lithium-containing compound as the positive electrode. During the charging and discharging process, there is no metal lithium, only lithium ions. This is a lithium battery.
In het begin van de jaren 1990 ontwikkelden Japan's Sony Energy Development Corporation en Canada's Moli Energy Corporation met succes nieuwe lithium-ionbatterijen, die niet alleen goed presteren, maar ook het milieu niet vervuilen. Met de snelle ontwikkeling van informatietechnologie, handgereedschap en elektrische voertuigen is de vraag naar hoogefficiënte energiebronnen snel gegroeid, en lithiumbatterijen zijn een van de snelst groeiende gebieden geworden.

De structuur van een lithiumbatterij

De belangrijkste componenten van lithiumbatterijen:
(1) Positieve elektrode - actieve materialen verwijzen voornamelijk naar lithiumkobaltoxide, lithiummanganaat, lithiumijzerfosfaat, lithiumnikkelaat, lithium-nikkel-kobalt-manganaat, enz. De geleidende stroomverzamelaar gebruikt over het algemeen aluminiumfolie met een dikte van 10--20 micron;
(2) Diafragma - een speciale plastic folie die lithiumionen doorlaat, maar een elektronische isolator is. Momenteel zijn er voornamelijk PE en PP en hun combinaties. Er is ook een type anorganisch vast diafragma, zoals alumina diafragma coating, dat een soort anorganisch vast diafragma is;

(3) Negatieve elektrode - het actieve materiaal verwijst voornamelijk naar grafiet, lithiumtitanaat, of koolstofmateriaal met een vergelijkbare grafietstructuur, en de geleidende stroomverzamelaar gebruikt doorgaans koperen folie met een dikte van 7-15 micron;
(4) Elektrolyt - over het algemeen een organisch systeem, zoals een carbonzuur-oplosmiddel opgelost met lithiumhexafluorfosfaat, en sommige polymeren batterijen gebruiken een gel-elektrolyt;
(5) Batterijkoffer - hoofdzakelijk verdeeld in twee types: harde hoes (stalen behuizing, aluminium behuizing, nikkel-geplateerde ijzeren behuizing, enz.) en zachte hoes (aluminium-kunststoffolie).

Wanneer de batterij wordt opgeladen, worden lithiumionen gedeïntercaleerd uit de positieve elektrode en geïntercaleerd in de negatieve elektrode, en omgekeerd bij het ontladen. Dit vereist dat een elektrode zich in een lithiumintercalatietoestand bevindt vóór de assemblage. Over het algemeen wordt een lithiumintercalatie overgangsmetaaloxide met een potentiaal van meer dan 3V ten opzichte van lithium en stabiel in lucht gekozen als de positieve elektrode, zoals LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Als materiaal voor de negatieve elektrode wordt een intercaleerbare lithiumverbinding gekozen met een potentiaal zo dicht mogelijk bij het lithium-potentiaal, zoals diverse koolstofmaterialen waaronder natuurlijk grafiet, synthetisch grafiet, koolstofvezel, mesofase bolvormige koolstof, enzovoort, en metaaloxiden, waaronder SnO, SnO2, tincomposietoxide SnBxPyOz (x=0,4～0,6, y=0,6～0,4, z=(2+3x+5y)/2) enzovoort.
De elektrolyt maakt gebruik van een gemengd oplossingsmiddelsysteem van LiPF6 ethyleencarbonaat (EC), propyleencarbonaat (PC) en laagviskeus di-ethylcarbonaat (DEC) en andere alkylcarbonaten.

Het membraan maakt gebruik van polyolefine microporeuze film zoals PE, PP of hun samengestelde film, vooral het PP/PE/PP drie-laags membraan heeft niet alleen een laag smeltpunt, maar ook een hoge doorsteekweerstand, wat een rol speelt in thermische verzekering.
De behuizing is gemaakt van staal of aluminium, en de dekkingsassemblage heeft de functie van explosiebestendigheid en stroomonderbreking.
Nou, het bovenstaande gaat vandaag over lithiumbatterijen. Sinds de geboorte van lithiumbatterijen in 1970, hebben ze zich snel ontwikkeld. Lithiumbatterijen zijn doorgedrongen tot alle aspecten van ons leven, en er zijn nog steeds enorme ontwikkelingsvooruitzichten in de toekomst.
Ik hoop dat de bovenstaande inhoud nuttig voor u is, meer informatie zal continu worden bijgewerkt, tot ziens in de volgende editie.