22 лет персонализации аккумуляторов

В чем заключается принцип электрохимии литий-ионных аккумуляторов?

Oct 10, 2023   Вид страницы:374

В современном мире технологий литий-ионные аккумуляторы стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Эти компактные устройства хранения энергии изменили наш образ жизни и работы: от питания наших смартфонов и ноутбуков до революции в индустрии электромобилей. Но задумывались ли вы когда-нибудь о научной основе этих замечательных источников энергии? В основе каждой литий-ионной батареи лежит удивительный принцип электрохимии — концепция, которая управляет потоком ионов и электронов для эффективного хранения и высвобождения энергии. В этом сообщении блога мы отправимся в поучительное путешествие в принцип электрохимии литий-ионных аккумуляторов, разгадав секреты, которые делают их одной из самых востребованных инноваций нашего времени. Итак, давайте окунемся и исследуем увлекательный мир литий-ионных батарей и науки, которая их питает.

Строительство и работа литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы известны своей высокой плотностью энергии, долговечностью и универсальностью. Они широко используются в широком спектре электронных устройств и завоевали известность в индустрии электромобилей благодаря своим впечатляющим характеристикам. Чтобы понять, как работают литий-ионные аккумуляторы, необходимо углубиться в их конструкцию и лежащие в их основе электрохимические процессы. Давайте разберем конструкцию и принципы работы этих замечательных источников питания:

Конструкция литий-ионных аккумуляторов:

1. Катод:

Катод является одним из двух электродов в литий-ионной батарее и обычно изготавливается из соединения на основе лития, такого как оксид лития-кобальта (LiCoO2), оксид лития-марганца (LiMn2O4) или фосфат лития-железа (LiFePO4). . Катод служит положительным электродом в аккумуляторе.

2. Анод:

Анод является вторым электродом и обычно состоит из такого материала, как графит. Он служит отрицательным электродом в аккумуляторе.

3.2V 20Ah Низкотемпературная квадратная батарея LiFePO4
3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

3. Сепаратор:

Сепаратор представляет собой тонкую пористую мембрану, помещенную между катодом и анодом для предотвращения прямого контакта между ними. Это предотвращает короткие замыкания, обеспечивая при этом поток ионов лития.

4. Электролит:

Электролит представляет собой соль лития, растворенную в растворителе, часто органическом растворителе. Это облегчает перемещение ионов лития между катодом и анодом.

5. Токосъемники:

Тонкая металлическая фольга, обычно изготовленная из алюминия для катода и меди для анода, действует как коллектор тока и обеспечивает электрическое соединение внутри батареи.

Принципы работы литий-ионных аккумуляторов:

Работа литий-ионного аккумулятора включает в себя ряд электрохимических реакций, происходящих во время зарядки и разрядки:

Зарядка:

1. Во время зарядки

, к аккумулятору подключается внешний источник напряжения, создающий разность потенциалов между катодом и анодом.

2. Ионы лития в катоде.

вынуждены двигаться через электролит и сепаратор к аноду из-за приложенного напряжения.

Батарея 11.1В 7800мАх полимера ноутбука низкой температуры высокой плотности энергии изрезанная
Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

3. На аноде

Ионы лития интеркалируются (абсорбируются) в структуру графита, где они сохраняются в виде соединений лития. Одновременно с этим с анода вылетают электроны.

4. Высвободившиеся электроны текут по внешней цепи.

К катоду создается электрический ток, который можно использовать для питания устройств или подзарядки аккумулятора.

5. На катоде

Ионы лития из электролита соединяются с электронами и материалом катода. Это приводит к образованию соединений лития и накоплению электрической энергии.

Разгрузка:

1. Во время разгрузки

Когда батарея обеспечивает питание, накопленные ионы лития в аноде начинают двигаться обратно к катоду через электролит.

2. При движении ионов лития к катоду

Электроны перетекают от анода через внешнюю цепь к катоду, обеспечивая электрическую мощность подключенному устройству.

3. На катоде

Ионы лития соединяются с электронами и материалом катода, высвобождая накопленную энергию и образуя новые соединения.

4. Этот цикл движения литий-ионных аккумуляторов

Между анодом и катодом повторяются процессы зарядки и разрядки, что позволяет аккумулятору эффективно хранить и выделять энергию.

Важно отметить, что конкретные материалы, используемые в катоде, аноде и электролите, могут различаться, что приводит к различиям в характеристиках батареи, включая емкость, напряжение и срок службы. Исследователи продолжают исследовать новые материалы и конструкции для улучшения производительности и безопасности литий-ионных батарей, что делает их еще более важными в нашем современном мире.

Уравнение реакции литий-ионного аккумулятора?

Химические реакции, происходящие в литий-ионном аккумуляторе при зарядке и разрядке, можно представить следующими упрощенными уравнениями:

Зарядка (реакция разряда):

На катоде (положительный электрод):

LiCoO2 (оксид лития-кобальта) Катод:

LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

На аноде (отрицательный электрод):

Графитовый анод:

xLi+ + xe- + 6C ? Ли6С6

Общая реакция во время зарядки (разрядки):

LiCoO2 + xLi+ ? Li1-xCoO2 + Li6C6

Разрядка (реакция заряда):

Во время разрядки реакции по существу обратны реакциям зарядки:

На катоде (положительный электрод):

Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- ? LiCoO2

На аноде (отрицательный электрод):

Li6C6 xLi+ + xe- + 6C

Общая реакция во время разрядки (зарядки):

Li1-xCoO2 LiCoO2 + Li6C6

Эти реакции иллюстрируют, как ионы лития (Li+) перемещаются между катодом и анодом с соответствующим потоком электронов (e-) через внешнюю цепь во время зарядки и разрядки. Конкретные материалы катода и анода, такие как оксид лития-кобальта и графит, могут различаться, что приводит к изменениям в общих реакциях и характеристиках батареи. Кроме того, эти реакции упрощены, а реальный химический состав литий-ионных батарей может быть более сложным, но эти уравнения обеспечивают фундаментальное понимание ключевых процессов.

Химия литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы работают на основе принципов электрохимии, а их химия предполагает движение ионов лития (Li+) между катодом и анодом, сопровождающееся потоком электронов (e-) через внешнюю цепь. Вот подробный обзор химического состава литий-ионных аккумуляторов:

1. Катодная химия:

- Катод обычно изготавливается из соединений на основе лития, а конкретный химический состав зависит от типа литий-ионного аккумулятора и его предполагаемого применения.

- К распространенным катодным материалам относятся:

- Оксид лития-кобальта (LiCoO2): используется во многих приложениях бытовой электроники.

- Литий-железо-фосфат (LiFePO4): известен своей стабильностью и безопасностью, часто используется в электромобилях.

- Оксид лития-марганца (LiMn2O4): обеспечивает баланс между плотностью энергии и безопасностью.

- Во время разряда (когда батарея обеспечивает питание) ионы лития извлекаются из материала катода, создавая вакансии в кристаллической структуре катода.

- Химические реакции на катоде обычно включают восстановление катодного материала:

- Пример с LiCoO2: LiCoO2 ? Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

- Во время зарядки (когда аккумулятор пополняется энергией) ионы лития вновь вводятся в материал катода, и материал катода окисляется:

- Пример с LiCoO2: Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- LiCoO2.

2. Химия анода:

- Анод обычно изготавливается из такого материала, как графит, структура которого позволяет осуществлять интеркаляцию (поглощение) ионов лития.

- Во время разряда ионы лития внедряются в структуру графита на аноде, что приводит к образованию соединений типа Li6C6.

- Химические реакции на аноде обычно включают интеркаляцию ионов лития:

- Пример с графитом: xLi+ + xe- + 6C Li6C6.

- Во время зарядки ионы лития извлекаются из анода, а материал анода восстанавливается:

- Пример с графитом: Li6C6 xLi+ + xe- + 6C

3. Химия электролита:

- Электролитом в литий-ионном аккумуляторе обычно является соль лития, растворенная в растворителе, часто органическом растворителе.

- Обычно используемой литиевой солью является гексафторфосфат лития (LiPF6).

- Электролит облегчает перемещение ионов лития между катодом и анодом, предотвращая при этом прямой контакт между ними.

- Выбор растворителя электролита влияет на производительность, безопасность и температурный диапазон аккумулятора.

4. Общие реакции батареи:

- Общие реакции во время зарядки и разрядки включают движение ионов лития и поток электронов. Эти реакции сбалансированы, чтобы обеспечить нейтральность заряда.

- Общие реакции можно представить следующим образом:

- Зарядка (разрядка): LiCoO2 + xLi+ ? Li1-xCoO2 + Li6C6

- Разрядка (заряд): Li1-xCoO2 ? ЛиСоО2 + Ли6С6

Понимание этих фундаментальных химических процессов имеет решающее значение для разработки и совершенствования технологии литий-ионных аккумуляторов, поскольку оно позволяет исследователям и инженерам оптимизировать материалы и конструкции для повышения производительности, безопасности и долговечности.

Заключение

В заключение отметим, что химия литий-ионных батарей вращается вокруг движения ионов лития между катодом и анодом, сопровождаемого потоком электронов через внешнюю цепь. Этот фундаментальный электрохимический процесс произвел революцию в способах хранения и доступа к энергии, питая все: от портативных устройств до электромобилей. Поскольку исследования продолжают развиваться, химия литий-ионных батарей является ключом к дальнейшему совершенствованию технологий хранения энергии, делая их еще более эффективными, безопасными и экологически чистыми в будущем.

Часто задаваемые вопросы

1. Что такое литий-ионный аккумулятор?

- Литий-ионный аккумулятор — это перезаряжаемое устройство хранения энергии, которое использует ионы лития для хранения и высвобождения электрической энергии.

2. Как работает литий-ионный аккумулятор?

- Литий-ионные аккумуляторы работают за счет перемещения ионов лития между катодом и анодом с сопутствующим потоком электронов во время зарядки и разрядки.

3. Каковы преимущества литий-ионных аккумуляторов?

- Литий-ионные аккумуляторы известны своей высокой плотностью энергии, длительным сроком службы, легким весом и универсальностью, что делает их идеальными для различных применений, от смартфонов до электромобилей.

4. Безопасны ли литий-ионные аккумуляторы?

- При правильном обращении и отсутствии экстремальных условий литий-ионные аккумуляторы в целом безопасны. Однако перезарядка, физическое повреждение или воздействие высоких температур могут представлять угрозу безопасности.

5. Можно ли перерабатывать литий-ионные аккумуляторы?

- Да, литий-ионные аккумуляторы можно сдать на переработку. Переработка помогает восстановить ценные материалы, такие как литий, кобальт и никель, снижая воздействие на окружающую среду и сохраняя ресурсы.

*
*
*
*
*
  • Самые горячие новости отрасли
  • Последние новости отрасли
  • Оставить сообщение

    Свяжитесь с нами

    * Пожалуйста, введите Ваше имя

    Требуется электронная почта. Этот адрес электронной почты недействителен

    * Пожалуйста, введите вашу компанию"

    Требуется массаж.
    Свяжитесь с нами

    Мы скоро свяжемся с вами

    Сделанный