Разработка и структура литиевых батарей

Литиевая батарея — это новый тип высокоэнергетической батареи, успешно разработанной в 20 веке. С предложением «углеродной нейтральности» и «углеродного пика» литиевая батарея стала центром внимания со всех сфер жизни. Сегодня CHNL познакомит вас с развитием и структурой литиевой батареи.

Введение в литиевые батареи

Литиевые батареи можно понимать как батареи, содержащие литиевые элементы (включая металлический литий, литиевые сплавы, литиевые ионы, литиевые полимеры), и их можно разделить на литиевые металлические батареи (очень редко производимые и используемые) и литиевые батареи (широко используемые сегодня). Благодаря высокой удельной энергии, высокому напряжению батареи, широкому диапазону рабочих температур и длительному сроку хранения, они широко применяются в военной и гражданской малой электронике, такой как мобильные телефоны, портативные компьютеры, видеокамеры, фотоаппараты и т.д., частично заменяя традиционные батареи.

Происхождение и развитие литиевых батарей

В 1970-х годах М.С. Уиттингхэм из Exxon использовал сульфид титана в качестве материала положительного электрода и металлический литий в качестве материала отрицательного электрода для создания первой литиевой батареи.
В 1980 году Дж. Гуденаф обнаружил, что оксид лития и кобальта может использоваться в качестве катодного материала для литиевых батарей.

В 1982 году Р.Р. Агарвал и Дж.Р. Селман из Иллинойсского технологического института обнаружили, что литиевые ионы обладают свойствами интеркаляции графита, и этот процесс быстрый и обратимый. В то же время вопросы безопасности литиевых батарей из металлического лития привлекли большое внимание. Поэтому люди попытались использовать свойства литиевых ионов, внедряющихся в графит, для создания перезаряжаемых батарей. Первая пригодная литий-ионная графитовая электродная батарея была успешно опытно изготовлена в Bell Laboratories.

В 1983 году М. Тэккери, Дж. Гуденаф и другие обнаружили, что марганцевый шпинель является отличным катодным материалом, с низкой ценой, стабильностью и отличной проводимостью и литиевой проводимостью. Его температура разложения высокая, а окислительные свойства значительно ниже, чем у оксида лития и кобальта. Даже при коротком замыкании или перезарядке он может избежать опасности возгорания и взрыва.
В 1991 году Sony выпустила первую коммерческую литиевую батарею. Впоследствии литиевые батареи произвели революцию в потребительской электронике.

В 1996 году Падхи и Гуденаф обнаружили, что фосфаты с оливиновой структурой, такие как литий-железо-фосфат (LiFePO4), превосходят традиционные катодные материалы, поэтому они стали основными катодными материалами на сегодняшний день.
Литиевые батареи (Li-ion Batteries) развились из литиевых батарей. Поэтому перед введением Li-ion давайте сначала познакомимся с литиевыми батареями. Например, кнопочная батарейка — это литиевая батарея. Материал положительного электрода литиевой батареи — диоксид марганца или тионилхлорид, а отрицательный электрод — литий. После сборки батарея имеет напряжение и не требует зарядки. Такая батарея также может заряжаться, но циклическая производительность плохая. Во время циклов зарядки и разрядки легко образуются литиевые дендриты, что приводит к внутреннему короткому замыканию батареи, поэтому в общем случае зарядка такой батареи запрещена.

Позже корпорация Sony из Японии изобрела литиевую батарею с углеродным материалом в качестве отрицательного электрода и соединением, содержащим литий, в качестве положительного электрода. Во время зарядки и разрядки металлического лития нет, есть только литиевые ионы. Это и есть литиевая батарея.
В начале 1990-х годов японская компания Sony Energy Development Corporation и канадская компания Moli Energy Corporation успешно разработали новые литий-ионные батареи, которые не только хорошо работают, но и не загрязняют окружающую среду. С быстрым развитием информационных технологий, портативной техники и электромобилей спрос на высокоэффективные источники питания быстро растет, и литиевые батареи стали одной из самых быстрорастущих областей.

Структура литиевой батареи

Основные компоненты литиевых батарей:
(1) Положительный электрод — активные материалы в основном относятся к оксиду лития и кобальта, литиевому манганату, литий-железо-фосфату, литий-никелату, литий-никель-кобальт-манганату и т.д. Проводящий токосъемник обычно используют алюминиевую фольгу толщиной 10–20 микрон;
(2) Диффузор — специальная пластиковая пленка, пропускающая литиевые ионы, но являющаяся электронным изолятором. В настоящее время в основном используются PE и PP и их комбинации. Также существует тип неорганического твердого диффузора, например, диффузор с покрытием из оксида алюминия является видом неорганического твердого диффузора;

(3) Отрицательный электрод — активный материал в основном относится к графиту, литий-титанату или углеродному материалу с подобной графитовой структурой, а проводящий токосъемник обычно используют медную фольгу толщиной 7-15 микрон;
(4) Электролит — обычно органическая система, например, растворитель карбоната с растворенным гексахлорофосфатом лития, а некоторые полимерные батареи используют гелевый электролит;
(5) Корпус батареи — в основном делится на два типа: жесткий корпус (стальной корпус, алюминиевый корпус, никелированный железный корпус и т.д.) и мягкий корпус (алюминиево-пластиковая пленка).

При зарядке батареи литиевые ионы деинтеркалируются из положительного электрода и интеркалируются в отрицательный электрод, и наоборот при разрядке. Для этого требуется, чтобы электрод находился в состоянии литиевой интеркаляции перед сборкой. Обычно выбирают литиевый интеркаляционный переходный металлический оксид с потенциалом выше 3 В относительно лития и стабильный на воздухе в качестве положительного электрода, например LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
В качестве материала отрицательного электрода выбирают интеркалируемое литиевое соединение с потенциалом как можно ближе к потенциалу лития, например различные углеродные материалы, включая природный графит, синтетический графит, углеродное волокно, мезофазный сферический углерод и т.д., а также металлические оксиды, включая SnO, SnO2, окись олова SnBxPyOz (x=0.4–0.6, y=0.6–0.4, z=(2+3x+5y)/2) и др.
В электролите используется смешанная растворительная система LiPF6 этиленкарбонат (EC), пропиленкарбонат (PC) и низковязкий диэтилкарбонат (DEC) и другие алкилкарбонаты.

Диффузор выполнен из микропористой пленки полиолефина, такой как PE, PP или их композитной пленки, особенно трехслойный диффузор PP/PE/PP, который не только имеет низкую температуру плавления, но и высокую устойчивость к проколу, что играет роль термической защиты.
Корпус изготовлен из стали или алюминия, а крышка сборки выполняет функции взрывозащиты и отключения питания.
Ну вот, сегодня мы рассказали обо всем, что касается литиевых батарей. С момента появления литиевых батарей в 1970 году они быстро развивались. Литиевые батареи проникли во все сферы нашей жизни, и в будущем у них по-прежнему огромные перспективы развития.
Надеюсь, приведенный выше материал был полезен для вас, дополнительная информация будет постоянно обновляться, до встречи в следующем выпуске.