Розробка та структура літієвих батарей

Літієва батарея — це новий тип високоефективної батареї, успішно розробленої у 20-му столітті. З появою концепцій «вуглецева нейтральність» та «вуглецевий пік» літієва батарея стала центром уваги з усіх сфер життя. Сьогодні CHNL проведе вас через розвиток і структуру літієвої батареї.

Вступ до літієвих батарей

Літієві батареї можна розуміти як батареї, що містять літійні елементи (включаючи металевий літій, літієві сплави, літій-іони, літій-полімери), і їх можна поділити на літієві металеві батареї (дуже рідко виробляються і використовуються) та літієві батареї (які широко використовуються сьогодні). Завдяки високій питомій енергії, високій напрузі батареї, широкому діапазону робочих температур і тривалому терміну зберігання, вони широко застосовуються у військових і цивільних малих електроприладах, таких як мобільні телефони, портативні комп’ютери, відеокамери, фотоапарати тощо, частково замінюючи традиційні батареї.

Походження та розвиток літієвих батарей

У 1970-х роках М.С. Віттінгем з Exxon використав сульфід титану як матеріал позитивного електрода та металевий літій як матеріал негативного електрода для створення першої літієвої батареї.
У 1980 році Дж. Гудіноу виявив, що оксид літію кобальту може використовуватися як катодний матеріал для літієвих батарей.

У 1982 році Р.Р. Агарвал і Дж.Р. Селман з Технологічного інституту Іллінойсу виявили, що літій-іони мають властивість інтеркалювати графіт, і цей процес є швидким і оборотним. Водночас безпекові ризики літієвих батарей з металевим літієм привернули значну увагу. Тому було спробовано використовувати властивості літій-іонів, що вбудовуються в графіт, для створення акумуляторних батарей. Перший придатний літій-іонний графітовий електрод успішно виготовили на випробування в Bell Laboratories.

У 1983 році М. Такерей, Дж. Гудіноу та інші виявили, що марганцевий шпінель є відмінним катодним матеріалом, з низькою ціною, стабільністю та відмінною провідністю і літієвою провідністю. Його температура розкладу висока, а окислювальні властивості значно нижчі, ніж у оксиду літію кобальту. Навіть при короткому замиканні або перезарядженні він може уникнути небезпеки займання та вибуху.
У 1991 році Sony випустила першу комерційну літієву батарею. Згодом літієві батареї революціонізували споживчу електроніку.

У 1996 році Падхі та Гудіноу виявили, що фосфати з олівіновою структурою, такі як літій-залізо-фосфат (LiFePO4), є кращими за традиційні катодні матеріали, тому вони стали нинішніми основними катодними матеріалами.
Літієві батареї (Li-ion Batteries) розвинулися з літієвих батарей. Тож перед тим, як представити Li-ion, спочатку розглянемо літієві батареї. Наприклад, кнопкова батарейка є літієвою батареєю. Матеріалом позитивного електрода літієвої батареї є діоксид марганцю або тіонілхлорид, а негативним електродом — літій. Після складання батарея має напругу і не потребує заряджання. Цю батарею також можна заряджати, але циклічні характеристики погані. Під час циклу заряджання та розряджання легко утворюються літієві дендрити, що призводить до внутрішнього короткого замикання батареї, тому загалом заряджання такої батареї заборонено.

Пізніше корпорація Sony з Японії винайшла літієву батарею з вуглецевим матеріалом як негативним електродом і літійвмісною сполукою як позитивним електродом. Під час процесу заряджання та розряджання металевого літію немає, є лише літій-іони. Це і є літієва батарея.
На початку 1990-х років японська корпорація Sony Energy Development і канадська корпорація Moli Energy успішно розробили нові літій-іонні батареї, які не лише мають хороші характеристики, а й не забруднюють навколишнє середовище. Зі стрімким розвитком інформаційних технологій, портативної техніки та електромобілів попит на високоефективні джерела живлення швидко зростав, і літієві батареї стали однією з найшвидше зростаючих галузей.

Структура літієвої батареї

Основні компоненти літієвих батарей:
(1) Позитивний електрод — активні матеріали переважно включають оксид літію кобальту, літій марганець, літій залізо фосфат, літій нікелят, літій нікель кобальт марганець тощо. Провідним колектором струму зазвичай є алюмінієва фольга товщиною 10–20 мікрон;
(2) Діафрагма — спеціальна пластикова плівка, що пропускає літій-іони, але є електронним ізолятором. Наразі переважно використовують PE і PP та їх комбінації. Існує також тип неорганічної твердої діафрагми, наприклад, діафрагма з покриттям оксиду алюмінію є видом неорганічної твердої діафрагми;

(3) Негативний електрод — активний матеріал переважно графіт, літій титанат або вуглецевий матеріал із подібною структурою графіту, а провідним колектором струму зазвичай є мідна фольга товщиною 7-15 мікрон;
(4) Електроліт — зазвичай органічна система, наприклад, карбонатний розчинник, розчинений з гексafторфосфатом літію, а деякі полімерні батареї використовують гелевий електроліт;
(5) Корпус батареї — головним чином поділяється на два типи: жорсткий корпус (стальний корпус, алюмінієвий корпус, нікельоване залізо тощо) та м’який корпус (алюмінієво-пластикова плівка).

Під час заряджання батареї літій-іони деінтеркалюються з позитивного електрода і інтеркалюються в негативний електрод, і навпаки під час розряджання. Для цього один електрод повинен бути в стані літієвої інтеркаляції перед складанням. Зазвичай вибирають літієвий інтеркаляційний перехідний металевий оксид з потенціалом понад 3 В відносно літію і стабільний на повітрі як позитивний електрод, наприклад LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Як матеріал негативного електрода вибирають інтеркалювальну літієву сполуку з потенціалом, максимально близьким до потенціалу літію, наприклад різні вуглецеві матеріали, включаючи природний графіт, синтетичний графіт, вуглецеве волокно, мезофазний сферичний вуглець тощо, а також металеві оксиди, включаючи SnO, SnO2, окисні композити олова SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2) тощо.
Електроліт використовує змішану розчинну систему LiPF6 етиленкарбонат (EC), пропіленкарбонат (PC) і низьков’язкий діетилкарбонат (DEC) та інші алкільні карбонати.

Діафрагма виготовлена з мікропористої плівки поліолефіну, такої як PE, PP або їх композитної плівки, особливо тришарова діафрагма PP/PE/PP має не лише низьку температуру плавлення, а й високу стійкість до проколів, що виконує роль термічного захисту.
Корпус виготовлений зі сталі або алюмінію, а кришка має функції вибухозахисту та відключення живлення.
Отже, вище наведено все про літієві батареї на сьогодні. З моменту появи літієвих батарей у 1970 році вони швидко розвивалися. Літієві батареї проникли у всі сфери нашого життя, і в майбутньому мають величезні перспективи розвитку.
Сподіваюся, наведена інформація буде вам корисною, більше інформації буде постійно оновлюватися, до зустрічі у наступному випуску.