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 aandacht geworden van alle maatschappelijke sectoren. Vandaag zal CHNL u leiden om de ontwikkeling en structuur van lithiumbatterijen te begrijpen.

Introductie tot lithiumbatterijen

Lithiumbatterijen kunnen worden begrepen als batterijen die lithiumelementen bevatten (inclusief metallisch lithium, lithiumlegeringen, lithiumionen, lithiumpolymeren), en kunnen worden onderverdeeld in lithium-metaalbatterijen (zeer zelden geproduceerd en gebruikt) en lithium-ionbatterijen (veelvuldig gebruikt tegenwoordig). Vanwege hun hoge specifieke energie, hoge batterijspanning, brede bedrijfstemperatuurbereik en lange opslagduur, worden ze veel gebruikt in militaire en civiele kleine elektrische apparaten, zoals mobiele telefoons, draagbare computers, videocamera's, camera's, enz., en vervangen ze gedeeltelijk traditionele batterijen.

De oorsprong en ontwikkeling van lithiumbatterijen

In de jaren 70 gebruikte M.S. Whittingham van Exxon titaniumsulfide als positief elektrode materiaal en metallisch lithium als negatief elektrode materiaal om de eerste lithiumbatterij te maken.
In 1980 ontdekte J. Goodenough dat lithiumkobaltoxide kon worden gebruikt 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 dit proces is snel en omkeerbaar. Tegelijkertijd trokken de veiligheidsrisico's van lithiumbatterijen gemaakt van metallisch lithium veel aandacht. Daarom probeerden mensen de eigenschappen van lithiumionen ingebed in grafiet 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 een uitstekend kathodemateriaal is, met 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 kortsluiting of overladen kan het het gevaar van brand en explosie vermijden.
In 1991 bracht Sony de eerste commerciële lithiumbatterij uit. Vervolgens revolutioneerden lithiumbatterijen het gezicht van consumentenelektronica.

In 1996 ontdekten Padhi en Goodenough dat fosfaten met een olivijnstructuur, zoals lithiumijzerfosfaat (LiFePO4), superieur zijn aan traditionele kathodematerialen, waardoor ze de huidige mainstream kathodematerialen zijn geworden.
Lithiumbatterijen (Li-ion batterijen) zijn 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 lithiumbatterijen 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 batterijen 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 batterijen op te laden.

Later vond Sony Corporation uit Japan een lithiumbatterij uit met koolstofmateriaal als negatieve elektrode en een lithiumhoudende verbinding als positieve elektrode. Tijdens het laad- en ontlaadproces is er geen metallisch lithium, alleen lithiumionen. Dit is een lithium-ionbatterij.
Begin jaren 90 ontwikkelden Sony Energy Development Corporation uit Japan en Moli Energy Corporation uit Canada 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 lithiumbatterijen

De hoofdbestanddelen 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) Diaphragma - een speciale plastic film 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 diaphragma, zoals alumina diaphragmacoating, een soort anorganisch vast diaphragma;

(3) Negatieve elektrode - het actieve materiaal verwijst voornamelijk naar grafiet, lithiumtitanaat, of koolstofmateriaal met een vergelijkbare grafietstructuur, en de geleidende stroomverzamelaar gebruikt over het algemeen 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 polymeerbatterijen gebruiken een gel-elektrolyt;
(5) Batterijbehuizing - voornamelijk verdeeld in twee typen: harde behuizing (stalen behuizing, aluminium behuizing, nikkel-geplateerde ijzeren behuizing, enz.) en zachte behuizing (aluminium-plastic film).

Wanneer de batterij wordt opgeladen, worden lithiumionen uit de positieve elektrode gedeïntercaleerd en in de negatieve elektrode geïntercaleerd, en omgekeerd bij ontladen. Dit vereist dat een elektrode zich in een lithium-intercalatiestatus bevindt vóór assemblage. Over het algemeen wordt een lithium-intercalatie overgangsmetaaloxide met een potentiaal groter dan 3V ten opzichte van lithium en stabiel in lucht gekozen als positieve elektrode, zoals LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Als materiaal van de negatieve elektrode wordt een intercaleerbare lithiumverbinding gekozen met een potentiaal zo dicht mogelijk bij de lithiumpotentiaal, zoals verschillende koolstofmaterialen waaronder natuurlijk grafiet, synthetisch grafiet, koolstofvezel, mesofase bolvormige koolstof, enz. en metaaloxiden, waaronder SnO, SnO2, tincomposietoxide SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) enz.
De elektrolyt gebruikt een mengoplossingssysteem van LiPF6 ethyleencarbonaat (EC), propyleencarbonaat (PC) en laagviskeuze diëthylcarbonaat (DEC) en andere alkylcarbonaten.

Het diaphragma gebruikt polyolefine microporeuze film zoals PE, PP of hun samengestelde film, vooral het PP/PE/PP-drielaags diaphragma heeft niet alleen een laag smeltpunt, maar ook een hoge doorprikbestendigheid, wat een rol speelt in thermische verzekering.
De behuizing is gemaakt van staal of aluminium, en de dekselassemblage heeft de functie van explosiebeveiliging en stroomonderbreking.
Nou, het bovenstaande is alles over lithiumbatterijen vandaag. 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 uitgave.