Utveckling och struktur av litiumbatterier

Litiumbatteri är en ny typ av högenergibatteri som framgångsrikt utvecklades under 1900-talet. Med förslaget om "koldioxidneutralitet" och "koldioxidtopp" har litiumbatteriet blivit i fokus för uppmärksamhet från alla samhällsskikt. Idag kommer CHNL att leda dig att förstå utvecklingen och strukturen av litiumbatterier.

Introduktion till litiumbatterier

Litiumbatterier kan förstås som batterier som innehåller litiumelement (inklusive metalliskt litium, litiumlegeringar, litiumjoner, litiumpolymerer), och kan delas in i litium-metallbatterier (mycket sällan producerade och använda) och litiumjonbatterier (som används i stor utsträckning idag). På grund av dess höga specifika energi, höga batterispänning, breda driftstemperaturområde och långa lagringstid har det använts brett i militära och civila små elektriska apparater, såsom mobiltelefoner, bärbara datorer, videokameror, kameror etc., och delvis ersatt traditionella batterier.

Ursprung och utveckling av litiumbatterier

På 1970-talet använde M.S. Whittingham från Exxon titansulfid som positiv elektrodmaterial och metalliskt litium som negativ elektrodmaterial för att tillverka det första litiumbatteriet.
År 1980 upptäckte J. Goodenough att litiumkoboltoxid kunde användas som katodmaterial för litiumbatterier.

År 1982 upptäckte R.R. Agarwal och J.R. Selman från Illinois Institute of Technology att litiumjoner har egenskaper att interkalera grafit, och denna process är snabb och reversibel. Samtidigt har säkerhetsriskerna med litiumbatterier gjorda av metalliskt litium fått mycket uppmärksamhet. Därför har man försökt använda egenskaperna hos litiumjoner inbäddade i grafit för att tillverka uppladdningsbara batterier. Den första användbara litiumjon-grafitelektroden producerades framgångsrikt i provskala vid Bell Laboratories.

År 1983 fann M. Thackeray, J. Goodenough och andra att mangan-spinel är ett utmärkt katodmaterial, med lågt pris, stabilitet och utmärkt ledningsförmåga och litiumledningsförmåga. Dess sönderdelningstemperatur är hög, och dess oxiderande egenskap är mycket lägre än litiumkoboltoxid. Även vid kortslutning eller överladdning kan det undvika risken för brand och explosion.
År 1991 släppte Sony det första kommersiella litiumbatteriet. Därefter revolutionerade litiumbatterier konsumentelektronikens ansikte.

År 1996 upptäckte Padhi och Goodenough att fosfater med olivinstruktur, såsom litiumjärnfosfat (LiFePO4), är överlägsna traditionella katodmaterial, så de har blivit de nuvarande mainstream katodmaterialen.
Litiumbatterier (Li-ion-batterier) utvecklades från litiumbatterier. Så innan vi introducerar Li-ion, låt oss först introducera litiumbatterier. Till exempel är ett knappcellsbatteri ett litiumbatteri. Det positiva elektrodmaterialet i litiumbatteriet är manganoxid eller tionylklorid, och den negativa elektroden är litium. Efter att batteriet är monterat har batteriet spänning och behöver inte laddas. Denna typ av batteri kan också laddas, men cykelprestandan är inte bra. Under laddnings- och urladdningscykeln är det lätt att bilda litiumdendriter, vilket resulterar i en intern kortslutning i batteriet, så generellt är denna typ av batteri förbjudet att laddas.

Senare uppfann Sony Corporation i Japan ett litiumbatteri med kolmaterial som negativ elektrod och en litiuminnehållande förening som positiv elektrod. Under laddnings- och urladdningsprocessen finns inget metalliskt litium, endast litiumjoner. Detta är ett litiumjonbatteri.
I början av 1990-talet utvecklade Japans Sony Energy Development Corporation och Kanadas Moli Energy Corporation framgångsrikt nya litiumjonbatterier som inte bara presterar bra utan också inte förorenar miljön. Med den snabba utvecklingen av informationsteknologi, handhållna maskiner och elfordon har efterfrågan på högpresterande kraftkällor vuxit snabbt, och litiumbatterier har blivit ett av de snabbast växande områdena.

Strukturen av litiumbatteri

Huvudkomponenterna i litiumbatterier:
(1) Positiv elektrod - aktiva material avser huvudsakligen litiumkoboltoxid, litiummanganat, litiumjärnfosfat, litiumnikelat, litium-nickel-kobolt-manganat etc. Den ledande strömsamlaren använder vanligtvis aluminiumfolie med en tjocklek på 10–20 mikron;
(2) Separator - en speciell plastfilm som tillåter litiumjoner att passera men är en elektrisk isolator. För närvarande finns huvudsakligen PE och PP och deras kombinationer. Det finns också en typ av oorganisk fast separator, såsom aluminiumsyraseparatorbeläggning som är en typ av oorganisk fast separator;

(3) Negativ elektrod - det aktiva materialet avser huvudsakligen grafit, litiumtitanat eller kolmaterial med liknande grafitstruktur, och den ledande strömsamlaren använder vanligtvis kopparfolie med en tjocklek på 7-15 mikron;
(4) Elektrolyt - vanligtvis ett organiskt system, såsom en karbonatsolvent löst med litiumhexafluorofosfat, och vissa polymerbatterier använder en gel-elektrolyt;
(5) Batterihölje - delas huvudsakligen in i två typer: hårt hölje (stålhölje, aluminiumhölje, nickelpläterat järnhölje etc.) och mjukt hölje (aluminium-plastfilm).

När batteriet laddas deinterkaleras litiumjoner från den positiva elektroden och interkaleras i den negativa elektroden, och vice versa vid urladdning. Detta kräver att en elektrod är i ett litiuminterkalerat tillstånd före montering. Vanligtvis väljs ett litiuminterkalerande övergångsmetalloxid med en potential större än 3V relativt litium och stabil i luft som positiv elektrod, såsom LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Som material för den negativa elektroden väljs en interkalerbar litiumförening med en potential så nära litiumpotentialen som möjligt, såsom olika kolmaterial inklusive naturlig grafit, syntetisk grafit, kolfiber, mesofas sfäriskt kol etc. och metalloxider, inklusive SnO, SnO2, tennkompositoxid SnBxPyOz (x=0,4–0,6, y=0,6–0,4, z=(2+3x+5y)/2) etc.
Elektrolyten använder ett blandat lösningssystem av LiPF6 etylencarbonat (EC), propylencarbonat (PC) och lågviskös dietylkarbonat (DEC) och andra alkylkarbonater.

Separatorn använder polyolefin-mikroporös film såsom PE, PP eller deras kompositfilm, särskilt PP/PE/PP-trelagers separator som inte bara har låg smältpunkt utan också hög punkteringsbeständighet, vilket spelar en roll i termisk försäkring.
Skalet är gjort av stål eller aluminium, och lockmonteringen har funktionen explosionsskydd och strömavbrott.
Så, ovanstående är allt om litiumbatterier idag. Sedan litiumbatteriernas födelse på 1970-talet har de utvecklats snabbt. Litiumbatterier har trängt in i alla aspekter av våra liv, och det finns fortfarande enorma utvecklingsutsikter i framtiden.
Jag hoppas att ovanstående innehåll är till hjälp för dig, mer information kommer att uppdateras kontinuerligt, vi ses i nästa nummer.