Rozwój i struktura baterii litowych

Bateria litowa to nowy rodzaj baterii o wysokiej energii, pomyślnie opracowany w XX wieku. Wraz z propozycją „neutralności węglowej” i „szczytu węglowego”, bateria litowa stała się przedmiotem zainteresowania ze strony różnych środowisk. Dziś CHNL poprowadzi Cię do zrozumienia rozwoju i struktury baterii litowej.

Wprowadzenie do baterii litowych

Baterie litowe można rozumieć jako baterie zawierające pierwiastki litu (w tym metaliczny lit, stopy litu, jony litu, polimery litu) i można je podzielić na baterie litowo-metalowe (bardzo rzadko produkowane i używane) oraz baterie litowo-jonowe (obecnie szeroko stosowane). Ze względu na wysoką gęstość energii, wysokie napięcie baterii, szeroki zakres temperatur pracy oraz długi czas przechowywania, są szeroko stosowane w wojskowych i cywilnych małych urządzeniach elektrycznych, takich jak telefony komórkowe, komputery przenośne, kamery wideo, aparaty fotograficzne itp., częściowo zastępując tradycyjne baterie.

Pochodzenie i rozwój baterii litowych

W latach 70. M.S. Whittingham z Exxon użył siarczku tytanu jako materiału elektrody dodatniej i metalicznego litu jako materiału elektrody ujemnej do wykonania pierwszej baterii litowej.
W 1980 roku J. Goodenough odkrył, że tlenek kobaltu litu może być używany jako materiał katody do baterii litowych.

W 1982 roku R.R. Agarwal i J.R. Selman z Illinois Institute of Technology odkryli, że jony litu mają zdolność interkalacji grafitu, a proces ten jest szybki i odwracalny. Jednocześnie zagrożenia bezpieczeństwa baterii litowych wykonanych z metalicznego litu zwróciły dużą uwagę. Dlatego próbowano wykorzystać cechy jonów litu osadzających się w graficie do produkcji akumulatorów ładowalnych. Pierwsza użyteczna elektroda grafitowa do baterii litowo-jonowej została pomyślnie wyprodukowana próbnie w Bell Laboratories.

W 1983 roku M. Thackeray, J. Goodenough i inni odkryli, że spinel manganu jest doskonałym materiałem katody, o niskiej cenie, stabilności oraz doskonałej przewodności i przewodności litu. Jego temperatura rozkładu jest wysoka, a właściwości utleniające znacznie niższe niż tlenku kobaltu litu. Nawet w przypadku zwarcia lub przeładowania może zapobiec ryzyku pożaru i wybuchu.
W 1991 roku Sony wprowadziło na rynek pierwszą komercyjną baterię litową. Następnie baterie litowe zrewolucjonizowały rynek elektroniki użytkowej.

W 1996 roku Padhi i Goodenough odkryli, że fosforany o strukturze oliwinu, takie jak fosforan żelaza litu (LiFePO4), są lepsze niż tradycyjne materiały katodowe, dlatego stały się obecnie dominującymi materiałami katodowymi.
Baterie litowo-jonowe (Li-ion Batteries) są rozwinięciem baterii litowych. Zanim jednak wprowadzimy Li-ion, najpierw przedstawmy baterie litowe. Na przykład bateria guzikowa to bateria litowa. Materiał elektrody dodatniej baterii litowej to dwutlenek manganu lub chlorek tionylu, a elektroda ujemna to lit. Po zmontowaniu bateria ma napięcie i nie wymaga ładowania. Tego typu bateria może być również ładowana, ale jej cykl żywotności nie jest dobry. Podczas cyklu ładowania i rozładowania łatwo tworzą się dendryty litu, co powoduje wewnętrzne zwarcie baterii, dlatego generalnie tego typu baterii nie wolno ładować.

Później japońska firma Sony wynalazła baterię litową z materiałem węglowym jako elektrodą ujemną i związkiem zawierającym lit jako elektrodą dodatnią. Podczas procesu ładowania i rozładowania nie ma metalu litu, tylko jony litu. To jest bateria litowo-jonowa.
Na początku lat 90. japońska Sony Energy Development Corporation i kanadyjska Moli Energy Corporation pomyślnie opracowały nowe baterie litowo-jonowe, które nie tylko mają dobre parametry, ale także nie zanieczyszczają środowiska. Wraz z szybkim rozwojem technologii informacyjnej, urządzeń przenośnych i pojazdów elektrycznych, zapotrzebowanie na wysokowydajne źródła zasilania gwałtownie wzrosło, a baterie litowe stały się jednym z najszybciej rozwijających się obszarów.

Struktura baterii litowej

Główne komponenty baterii litowych:
(1) Elektroda dodatnia - materiały aktywne to głównie tlenek kobaltu litu, manganian litu, fosforan żelaza litu, nikiel litu, niklowo-kobaltowo-manganowy lit itp. Przewodzący kolektor prądu zwykle wykonany jest z folii aluminiowej o grubości 10–20 mikronów;
(2) Przegroda - specjalna folia plastikowa przepuszczająca jony litu, ale będąca izolatorem elektrycznym. Obecnie głównie PE i PP oraz ich kombinacje. Istnieje także rodzaj nieorganicznej stałej przegrody, np. powłoka przegrody z glinu jest rodzajem nieorganicznej stałej przegrody;

(3) Elektroda ujemna - materiał aktywny to głównie grafit, tytanian litu lub materiał węglowy o podobnej strukturze grafitu, a przewodzący kolektor prądu zwykle wykonany jest z folii miedzianej o grubości 7-15 mikronów;
(4) Elektrolit - zwykle system organiczny, taki jak rozpuszczalnik węglanowy z rozpuszczonym heksafluorofosforanem litu, a niektóre baterie polimerowe używają żelowego elektrolitu;
(5) Obudowa baterii - głównie dzieli się na dwa typy: twarda obudowa (stalowa, aluminiowa, niklowana żelazna itp.) oraz miękka obudowa (folia aluminiowo-plastikowa).

Podczas ładowania baterii jony litu są deinterkalowane z elektrody dodatniej i interkalowane w elektroda ujemnej, a podczas rozładowania odwrotnie. Wymaga to, aby elektroda była w stanie interkalacji litu przed montażem. Zwykle wybiera się tlenek metalu przejściowego z interkalacją litu o potencjale powyżej 3V względem litu i stabilny na powietrzu jako elektrodę dodatnią, taki jak LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Jako materiał elektrody ujemnej wybiera się związek litu zdolny do interkalacji o potencjale jak najbliższym potencjałowi litu, taki jak różne materiały węglowe, w tym grafit naturalny, syntetyczny, włókno węglowe, kulisty węgiel mezofazowy itp. oraz tlenki metali, w tym SnO, SnO2, złożony tlenek cyny SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) itd.
Elektrolit stosuje mieszaninę rozpuszczalników LiPF6, węglanu etylenu (EC), węglanu propylenu (PC) oraz niskolepkiego węglanu dietylu (DEC) i innych węglanów alkilowych.

Przegroda wykonana jest z mikroporowatej folii poliolefinowej, takiej jak PE, PP lub ich folii kompozytowej, szczególnie trójwarstwowa przegroda PP/PE/PP, która nie tylko ma niską temperaturę topnienia, ale także wysoką odporność na przebicie, pełniąc funkcję ubezpieczenia termicznego.
Obudowa wykonana jest ze stali lub aluminium, a zespół pokrywy ma funkcję przeciwwybuchową i odcięcia zasilania.
To wszystko na dzisiaj o bateriach litowych. Od narodzin baterii litowych w 1970 roku rozwijają się one bardzo szybko. Baterie litowe przeniknęły do wszystkich aspektów naszego życia i nadal mają ogromne perspektywy rozwoju w przyszłości.
Mam nadzieję, że powyższa treść jest dla Ciebie pomocna, więcej informacji będzie na bieżąco aktualizowanych, do zobaczenia w następnym wydaniu.