Основные принципы, основные компоненты и обзор литиевых батарей

Основные принципы, основные компоненты и обзор литиевых батарей

Литий-ионный аккумулятор относится к вторичному литий-ионному аккумулятору, который можно повторно заряжать, а не к первичному аккумулятору, который мы выбрасываем, когда он израсходован.

Литий-ионные батареи распространены во всех уголках нашей жизни. Приложения включают мобильные телефоны, планшеты, ноутбуки, умные часы, мобильные источники питания, аварийные источники питания, бритвы, электрические велосипеды, электромобили, электрические автобусы. Туристические автомобили, дроны и другие виды электроинструментов. Как носитель электрической энергии и источник энергии для многих устройств, можно сказать, что без литий-ионной батареи сегодняшний материальный мир не может играть (если мы не хотим вернуться на десятилетия назад). Итак, что такое призрак литий-ионного аккумулятора?

Эта статья не является основным принципом и историей развития популярного аккумулятора. Если вам интересно, пожалуйста, проверьте Baidu. Здесь много историй. Основная теория в области физики и химии в основном была создана волной людей до Эйнштейна. Батарея напрямую связана с этими двумя полями. Теория, связанная с батареями, изучалась до Второй мировой войны. После Второй мировой войны практически не было больших инноваций. Как своего рода аккумуляторная технология, соответствующие теоретические исследования литий-ионных аккумуляторов не привели к каким-либо прорывам в последние годы. Большая часть исследований сосредоточена на материалах, рецептурах, процессах и т. Д., То есть на том, как повысить степень индустриализации и результатов исследований. Более качественный литий-ионный аккумулятор (больше энергии хранится и используется дольше).

Многие люди используют литий-ионные аккумуляторы, многие изучают применение литий-ионных аккумуляторов (например, продукты, упомянутые выше), но большинство людей очень мало знают о литий-ионных аккумуляторах или всегда смотрят на туман, ни в коем случае . Цель написания этой статьи не для тех, кто хочет разработать литий-ионные аккумуляторы, а для тех инженеров, которые используют литий-ионные аккумуляторы в своих продуктах или пользователей литий-ионных аккумуляторов. Таким образом, эта статья должна быть простой для понимания, стараться не использовать специализированную терминологию и формулы и надеяться, что при легком чтении она может улучшить понимание всеми литий-ионных аккумуляторов и сыграть свою роль в ответах на вопросы.

Автор не является специалистом в области литий-ионных аккумуляторов. Он не занимался исследованиями и разработками литий-ионных аккумуляторных элементов, но долгое время занимался исследованиями применения литий-ионных аккумуляторов. Поэтому он надеется встать с точки зрения «пользователей», чтобы объяснить понимание литий-ионных батарей. Обычные пользователи обычно называют литиево-ионные батареи непосредственно литиевыми батареями. Хотя это не одно и то же, литий-ионные батареи действительно являются абсолютной основной частью современных литиевых батарей.

Большая часть содержания в тексте не является моим оригиналом, но существующие знания, стоя на плечах гигантов, все, что мы должны сделать, это встать прямо, поднять голову, и мир перед нашими глазами.

Во-вторых, основной принцип литий-ионного аккумулятора

1. Как выбрать носитель энергии

Во-первых, все спросят, а зачем выбирать литий в качестве энергоносителя?

Что ж, хотя мы не хотим пересматривать знания по химии, эта проблема должна перейти к таблице Менделеева, чтобы найти ответ. К счастью, вы еще помните таблицу Менделеева ?! Я действительно не помню, давайте взглянем на таблицу ниже.

Чтобы быть хорошим энергоносителем, храните и переносите больше энергии в минимально возможном объеме и весе. Следовательно, необходимо выполнение следующих основных условий:

1) Относительная масса атома мала

2) Сильная способность приобретать и терять электроны

3) Коэффициент электронной передачи высокий

Основываясь на этих трех основных принципах, элементы, расположенные над периодической таблицей, лучше, чем элементы, расположенные ниже, а элементы слева лучше, чем элементы справа. Для первоначального скрининга мы можем найти материалы только в первом и втором циклах периодической таблицы: водород, гелий, литий, цезий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и сурьму. Не считая инертных газов и окислителей, остаются только пять элементов: водород, литий, гелий, бор и углерод.

Водород - лучший носитель энергии в природе, поэтому исследования водородных топливных элементов набирают силу, представляя очень многообещающее направление в области аккумуляторных батарей. Конечно, если технология ядерного деления может совершить крупный прорыв в следующие несколько десятилетий и может быть уменьшена или даже миниатюризирована, портативные ядерные топливные элементы будут иметь широкие возможности для развития.

Следующий шаг - литий. Выбор лития в качестве батареи основан на всех нынешних элементах Земли. Мы можем найти относительно хорошее решение (запасы слишком мало, редкие металлы в редких металлах). Технический путь между водородными топливными элементами и литий-ионными батареями в области электромобилей идет полным ходом. Вероятно, благодаря этим двум элементам, это лучший носитель энергии, который мы можем найти сейчас. Конечно, есть и коммерческие интересы, и даже политические игры. Это не те области, которые будут обсуждаться в этой статье.

Кстати, энергия, которая уже существует в природе и широко используется людьми, такая как нефть, природный газ, уголь и т. Д., Также состоит из углерода, водорода, кислорода и других элементов (в первом и втором циклах таблицы Менделеева). Следовательно, будь то естественный выбор или человеческий «замысел», в конечном итоге это одно и то же.

2. Принцип работы литий-ионного аккумулятора.

Поговорим о механизме работы литий-ионных аккумуляторов. Реакция окислительно-восстановительного восстановления здесь не описывается. Химическая основа плохая, или человек, который уже вернул химические знания учителю, увидит головокружение, поэтому у нас все еще есть прямое описание. Позаимствовав здесь картинку, на этой картинке легче понять принцип работы литий-ионных аккумуляторов.

В соответствии с привычкой использования мы различаем положительный (+) и отрицательный (-) в зависимости от разницы напряжений между зарядкой и разрядкой. Анод и катод здесь не упоминаются, что требует много времени и усилий. На этом рисунке материалом положительного электрода батареи является кобальтат лития (LiCoO2), а материалом отрицательного электрода - графит (C).

При зарядке под действием приложенного электрического поля литиевый элемент в молекуле LiCoO2 материала положительного электрода отделяется и становится положительно заряженным ионом лития (Li +). Под действием силы электрического поля он перемещается от положительного электрода к отрицательному, а на отрицательном электроде атом углерода химически реагирует с образованием LiC6, так что ионы лития, выходящие из положительного электрода, «стабильно» внедряются. в слоистой графитовой структуре отрицательного электрода. Чем больше ионов лития переносится с положительного электрода на отрицательный, тем больше энергии может хранить аккумулятор.

Когда разряд прямо противоположный, внутреннее электрическое поле поворачивается, ионы лития (Li +) отделяются от отрицательного электрода, и в направлении электрического поля они возвращаются к положительному электроду и становятся молекулами кобальтата лития (LiCoO2). . Чем больше ионов лития передается от отрицательного электрода к положительному, тем больше энергии может высвободить аккумулятор.

Во время каждого цикла заряда-разряда ион лития (Li +) действует как носитель электрической энергии, и движение от положительного электрода к отрицательному к положительному электроду совершает возвратно-поступательное движение назад и вперед, химически реагируя с положительными и отрицательными материалами. и преобразует химическую энергию и электрическую энергию. Осуществляется передача заряда, что является основным принципом «литий-ионного аккумулятора». Поскольку электролит, сепаратор и т.п. являются изоляторами электронов, электроны не перемещаются вперед и назад между положительным и отрицательным электродами во время этого цикла, и они участвуют только в химической реакции электродов.

3. Базовый состав литий-ионного аккумулятора.

Для достижения вышеуказанных функций литий-ионная батарея должна содержать внутри несколько основных материалов: активный материал положительного электрода, активный материал отрицательного электрода, сепаратор и электролит. Кратко обсудим, что делают эти материалы.

Разобраться в положительном и отрицательном полюсах несложно. Для передачи заряда необходимы положительные и отрицательные материалы с разностью потенциалов. Какое действующее вещество? Мы знаем, что батареи преобразуют электрическую и химическую энергию друг в друга для накопления и высвобождения энергии. Чтобы достичь этого процесса, материал положительного и отрицательного электродов должен быть «легким» для участия в химической реакции, быть активным, легко окисляться и восстанавливаться, а также обеспечивать преобразование энергии, поэтому нам нужны «активные вещества». сделать положительный и отрицательный электроды аккумулятора.

Как упоминалось выше, литий является предпочтительным материалом для наших батарей, так почему бы не использовать металлический литий в качестве активного материала для электродов? Разве это не максимальная плотность энергии, которую можно достичь?

Давайте посмотрим на картинку выше. Кислород (O), кобальт (Co) и литий (Li) составляют очень стабильную структуру материала катода (соотношение и расположение на рисунке приведены только для справки) и атомы углерода анодного графита. Композиция также имеет очень устойчивую слоистую структуру. Положительные и отрицательные материалы не только активны, но также имеют очень стабильную структуру для обеспечения упорядоченной и контролируемой химической реакции. Что в результате нестабильности? Учитывая горение бензина и взрыв бомб, энергия высвобождается очень сильно. Процесс этой химической реакции невозможно точно контролировать, поэтому химическая энергия становится тепловой энергией, а энергия выделяется за один раз, и это необратимо.

Литий в виде металла слишком «живой», а непослушные дети в большинстве своем непослушны и любят разрушать. Ранние исследования литиевых батарей действительно фокусировались на направлении использования металлического лития или его сплавов в качестве отрицательного электрода, но из-за проблем с безопасностью нам пришлось найти другие лучшие пути. В последние годы, в погоне за плотностью энергии, это направление исследований имеет тенденцию «полного воскрешения крови», о которой мы поговорим позже.

Для достижения химической стабильности во время накопления и высвобождения энергии, то есть безопасности и длительного срока службы заряда и разряда батареи, нам нужен электродный материал, который активен, когда он должен быть активным, и стабильный, когда он должен быть стабильным. . После долгих исследований и исследований люди обнаружили несколько оксидов металлического лития, таких как кобальтат лития, титанат лития, фосфат лития-железа, манганат лития, тройной никель-кобальт-марганец и другие материалы, в качестве активного или отрицательного электрода батареи. решает вышеуказанные проблемы. Как показано на приведенном выше рисунке, оливиновая структура фосфата лития-железа также является очень стабильной структурой материала положительного электрода, и деинтеркаляция ионов лития во время зарядки и разрядки не вызывает коллапса решетки. Не по теме, литий-металлические батареи действительно есть, но по сравнению с литий-ионными батареями, развитие технологий практически незначительно и, в конечном итоге, все еще должно служить рынку.

Конечно, при решении проблемы стабильности это также приводит к серьезным «побочным эффектам», то есть значительно уменьшается доля лития как энергоносителя, плотность энергии снижается более чем на порядок, и должно быть потеря, естественный путь.

Отрицательный электрод обычно выбирает в качестве активного материала графит или другие углеродные материалы. Он также следует вышеуказанным принципам. Он требует хорошего энергоносителя и относительно стабилен. Он также имеет относительно большие резервы для крупномасштабного производства, ищущего углерод. Элемент - относительно хорошее решение. Конечно, это не единственное решение. Исследования анодных материалов очень обширны и будут обсуждены позже.

Что такое электролит? Вообще говоря, «вода» внутри плавательного бассейна позволяет ионам лития свободно плавать, поэтому ионная проводимость высокая (малое сопротивление плаванию), электронная проводимость мала (изоляция), химическая стабильность должна быть хорошей (стабильность подавляющая), термическая стабильность хорошая (все для безопасности), потенциальное окно должно быть широким. Основываясь на этих принципах, после длительных инженерных изысканий люди обнаружили электролиты, приготовленные из органических растворителей высокой чистоты, электролитных солей лития и необходимых добавок при определенных условиях и в определенном соотношении. Органический растворитель представляет собой PC (пропиленкарбонат), EC (этиленкарбонат), DMC (диметилкарбонат), DEC (диэтилкарбонат), EMC (этилметилкарбонат) и т.п. Литиевая соль электролита состоит из таких материалов, как LiPF6 и LiBF4.

Разделитель добавлен для предотвращения прямого контакта между положительными и отрицательными материалами. Мы надеемся сделать батарею как можно меньше и хранить как можно больше энергии, чтобы расстояние между положительным и отрицательным электродами становилось все меньше и меньше. Станьте огромным риском. Чтобы предотвратить короткое замыкание положительных и отрицательных материалов, приводящее к интенсивному выделению энергии, необходимо «разделить» положительный и отрицательный электроды материалом, который является источником сепаратора. Сепаратор должен иметь хорошую проницаемость для ионов, в основном, чтобы открывать каналы для ионов лития, позволяя ему свободно проходить, и в то же время он должен быть изолятором электронов для обеспечения изоляции между положительным и отрицательным электродами. В настоящее время разделители на рынке в основном включают однослойный полипропилен, однослойный полиэтилен, двухслойный полипропилен / полиэтилен и трехслойную композитную пленку из полипропилена / полиэтилена / полипропилена.

4. Полный состав литий-ионного аккумулятора.

В дополнение к четырем основным материалам, упомянутым выше, для того, чтобы превратить литий-ионную батарею из «экспериментального продукта» в лаборатории в продукт, который может быть коммерциализирован, необходимы другие незаменимые материалы.

Давайте сначала посмотрим на положительный электрод батареи, помимо активного материала, а также на проводящий агент и связующее, а также на подложку и токоприемник, используемые в качестве носителя тока (положительный электрод обычно представляет собой алюминиевую фольгу). . Связующее должно равномерно «фиксировать» оксид металлического лития в качестве активного материала на положительной базовой полоске, а проводящий агент должен увеличивать электрическую проводимость активного материала и подложки для достижения большего тока заряда и разряда, а также токосъемника. отвечает за работу в качестве аккумулятора. Внутренние и внешние мосты переноса заряда.

Структура отрицательного электрода по существу такая же, как у положительного электрода, и для фиксации графита активного материала требуется клей. Медная фольга необходима в качестве подложки и токосъемника, чтобы действовать как проводник тока, но поскольку сам графит имеет хорошую проводимость, отрицательный электрод обычно не содержит материала проводящего агента.

В дополнение к вышеупомянутым материалам, полная литий-ионная батарея также включает изоляционные листы, крышки, предохранительные клапаны, корпуса (алюминий, сталь, композитные мембраны и т. Д.), А также другие вспомогательные материалы.

5. Процесс производства литий-ионных аккумуляторов.

Процесс производства литий-ионных аккумуляторов сложен, и здесь кратко описаны только несколько ключевых процессов. В зависимости от способа сборки полюсного наконечника обычно существует два пути наматывания и ламинирования.

Процесс ламинирования - это производственный процесс, в котором положительный электрод и отрицательный электрод разрезают на мелкие части, и разделитель ламинируется, чтобы сформировать маленькую ячейку, а затем маленькие ячейки укладываются параллельно, чтобы сформировать большую ячейку. Общая схема процесса выглядит следующим образом:

Процесс наматывания заключается в закреплении положительного и отрицательного электродов, разделителя, положительного и отрицательного электродов, защитной ленты, оконечной ленты и т.п. на устройстве, и устройство завершается разматыванием батареи.

Литий-ионные аккумуляторы обычно имеют цилиндрическую и квадратную форму и имеют различный материал корпуса, бывают металлические корпуса и мягкие корпуса.

Страница содержит содержимое машинного перевода.