Utvikling og struktur av litiumbatterier

Litiumbatteri er en ny type høyenergibatteri som ble vellykket utviklet på 1900-tallet. Med forslaget om "karbonnøytralitet" og "karbontopp" har litiumbatteri blitt fokus for oppmerksomhet fra alle samfunnslag. I dag vil CHNL lede deg til å forstå utviklingen og strukturen til litiumbatteri.

Introduksjon til litiumbatterier

Litiumbatterier kan forstås som batterier som inneholder litiumelementer (inkludert metallisk litium, litiumlegeringer, litiumioner, litiumpolymerer), og kan deles inn i litiummetallbatterier (svært sjelden produsert og brukt) og litiumionbatterier (mye brukt i dag). På grunn av sin høye spesifikke energi, høye batterispenning, brede driftstemperaturområde og lange lagringstid, har det blitt mye brukt i militære og sivile små elektriske apparater, som mobiltelefoner, bærbare datamaskiner, videokameraer, kameraer osv., og delvis erstattet tradisjonelle batterier.

Opprinnelsen og utviklingen av litiumbatterier

På 1970-tallet brukte M.S. Whittingham fra Exxon titansulfid som positiv elektrode materiale og metallisk litium som negativ elektrode materiale for å lage det første litiumbatteriet.
I 1980 oppdaget J. Goodenough at litiumkoboltoxid kunne brukes som katodemateriale for litiumbatterier.

I 1982 oppdaget R.R.Agarwal og J.R.Selman fra Illinois Institute of Technology at litiumioner har egenskapen til å interkalere grafitt, og denne prosessen er rask og reversibel. Samtidig har sikkerhetsrisikoene ved litiumbatterier laget av metallisk litium fått mye oppmerksomhet. Derfor har man forsøkt å bruke egenskapene til litiumioner som settes inn i grafitt for å lage oppladbare batterier. Den første brukbare litium-ion grafittelektroden ble vellykket prøveprodusert ved Bell Laboratories.

I 1983 fant M. Thackeray, J. Goodenough og andre at mangan spinell er et utmerket katodemateriale, med lav pris, stabilitet og utmerket ledningsevne og litiumledningsdyktighet. Dens dekomponeringstemperatur er høy, og dens oksiderende egenskap er mye lavere enn litiumkoboltoxid. Selv ved kortslutning eller overlading kan det unngå fare for brann og eksplosjon.
I 1991 lanserte Sony det første kommersielle litiumbatteriet. Deretter revolusjonerte litiumbatterier forbrukerelektronikkens ansikt.

I 1996 fant Padhi og Goodenough at fosfater med olivinstruktur, som litiumjernfosfat (LiFePO4), er mer overlegne enn tradisjonelle katodematerialer, så de har blitt dagens mainstream katodematerialer.
Litiumbatterier (Li-ion-batterier) er utviklet fra litiumbatterier. Så før vi introduserer Li-ion, la oss først introdusere litiumbatterier. For eksempel er et knappcellebatteri et litiumbatteri. Det positive elektrode materialet i litiumbatteriet er mangan dioksid eller thionylklorid, og den negative elektroden er litium. Etter at batteriet er satt sammen, har batteriet spenning og trenger ikke lades. Denne typen batteri kan også lades, men syklusytelsen er ikke god. Under lade- og utladningssyklusen er det lett å danne litiumdendritter, noe som resulterer i intern kortslutning i batteriet, så generelt er denne typen batteri forbudt å lade.

Senere oppfant Sony Corporation i Japan et litiumbatteri med karbonmateriale som negativ elektrode og en litiumholdig forbindelse som positiv elektrode. Under lade- og utladningsprosessen finnes det ikke metallisk litium, bare litiumioner. Dette er et litiumionbatteri.
På tidlig 1990-tall utviklet Japans Sony Energy Development Corporation og Canadas Moli Energy Corporation vellykket nye litium-ionbatterier, som ikke bare har god ytelse, men også ikke forurenser miljøet. Med den raske utviklingen av informasjonsteknologi, håndholdt maskineri og elektriske kjøretøy, har etterspørselen etter høy-effektive kraftkilder vokst raskt, og litiumbatterier har blitt et av de raskest voksende feltene.

Strukturen til litiumbatteri

Hovedkomponentene i litiumbatterier:
(1) Positiv elektrode - aktive materialer refererer hovedsakelig til litiumkoboltoxid, litiummanganat, litiumjernfosfat, litiumnikelat, litium-nikkel-kobolt-manganat osv. Den ledende strømoppsamleren bruker vanligvis aluminiumsfolie med en tykkelse på 10–20 mikron;
(2) Skillevegg - en spesiell plastfilm som tillater litiumioner å passere, men er en elektronisk isolator. For tiden er det hovedsakelig PE og PP og deres kombinasjoner. Det finnes også en type uorganisk solid skillevegg, som alumina skilleveggbelegg er en type uorganisk solid skillevegg;

(3) Negativ elektrode - det aktive materialet refererer hovedsakelig til grafitt, litiumtitanat eller karbonmateriale med lignende grafittstruktur, og den ledende strømoppsamleren bruker vanligvis kobberfolie med en tykkelse på 7-15 mikron;
(4) Elektrolytt - vanligvis et organisk system, som en karbonatsolver oppløst med litiumheksafluorofosfat, og noen polymerbatterier bruker en gel-elektrolytt;
(5) Batterikasse - hovedsakelig delt i to typer: hardcase (stålkasse, aluminiumsboks, nikkelbelagt jernboks osv.) og softcase (aluminiums-plastfilm).

Når batteriet lades, deinterkaleres litiumioner fra den positive elektroden og interkaleres i den negative elektroden, og omvendt ved utlading. Dette krever at en elektrode er i en litiuminterkaleringsstatus før montering. Vanligvis velges et litiuminterkalerende overgangsmetalloksid med en potensiell verdi over 3V i forhold til litium og stabil i luft som positiv elektrode, som LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Som materiale for den negative elektroden velges en interkalerbar litiumforbindelse med en potensiell verdi så nær som mulig litiumets potensial, som ulike karbonmaterialer inkludert naturlig grafitt, syntetisk grafitt, karbonfiber, mesofase sfærisk karbon osv. og metalloksider, inkludert SnO, SnO2, tinnkomposittoksid SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) osv.
Elektrolytten bruker et blandet løsningsmiddelsystem av LiPF6 etylencarbonat (EC), propylencarbonat (PC) og lavviskøs dietylkarbonat (DEC) og andre alkylkarbonater.

Skilleveggen bruker polyolefin mikroporøs film som PE, PP eller deres komposittfilm, spesielt PP/PE/PP trelags skillevegg som ikke bare har lav smeltetemperatur, men også høy punkteringsmotstand, som spiller en rolle i termisk sikring.
Skallet er laget av stål eller aluminium, og dekselmonteringen har funksjon for eksplosjonssikring og strømavbrudd.
Vel, det ovenstående er alt om litiumbatterier i dag. Siden fødselen av litiumbatterier i 1970 har de utviklet seg raskt. Litiumbatterier har trengt inn i alle aspekter av våre liv, og det er fortsatt enorme utviklingsutsikter i fremtiden.
Jeg håper innholdet ovenfor er nyttig for deg, mer informasjon vil bli kontinuerlig oppdatert, vi sees i neste utgave.