Химический анализ литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы - новый лучший друг различного оборудования и технологий. Будь то гибридные автомобили, телефоны или ноутбуки, большинство из них работает от литий-ионных аккумуляторов. Одна из особенностей этих клеток - их плотность энергии. Плотность энергии средней литий-ионной батареи в два раза выше, чем у никель-кадмиевой батареи. Это означает, что более легкая и компактная литиевая батарея может обеспечивать такую же мощность, как и батарея NiCad большого размера. Следовательно, они лучше подходят для портативной электроники.

Химические материалы для изготовления литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный - это центральный химический материал, используемый при формировании батареи. Оба электрода изготовлены из материала, который может легко поглощать ионы лития посредством процесса, известного как интеркаляция. В этом процессе заряженные ионы лития удерживаются на электродах, производя энергию. В процессе формирования литий-ионной батареи ионы связаны с электронами и связаны с анодом. Когда происходит разряд батареи, эти ионы лития высвобождаются из анода и поглощаются катодом после прохождения через электролит.

Когда литий-ионный аккумулятор заряжен, на катоде происходит процесс окисления. Здесь катод теряет электроны. Чтобы поддерживать баланс заряда между двумя электродами, катод растворяет такое же количество положительных ионов в электролите. Эти положительные ионы перемещаются к аноду, связываются в его структуре и интегрируются с ионом лития.

Когда батарея разряжается, ион лития отсоединяется от материала анода. Он мигрирует к катоду через электролит. Эта миграция снова высвобождает электроны, которые проходят через широкое пространство, тем самым обеспечивая электрический ток.

Химический материал, используемый для электролита, представляет собой раствор, содержащий растворители, такие как диэтилкарбонат или диметилкарбонат. В смесь также добавляют соли лития. Этот электролит играет важную роль в поддержании и улучшении характеристик батареи. Поскольку в электролите есть соли лития, значит, он содержит ионы лития. Следовательно, ионы лития должны просто раствориться в растворе, а не совершать весь путь от катода до анода и наоборот.

Материал анода - графит. Поскольку элемент повреждается при многократном вводе и разряде ионов лития, исследователи пытаются оценить жизнеспособность использования таких опций, как графема. С другой стороны, химический материал для катода представляет собой комбинацию металла, кислорода и лития.

Различные ассоциации химических элементов для различных применений литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор - это общий термин. Доступны различные типы литий-ионных батарей. Разница заключается в химических элементах, из которых состоит клетка. Различная ассоциация химических элементов делает батарею более разнообразной. Вот некоторые из популярных ассоциаций химических элементов.

Оксид лития-кобальта (LiCoO2)

Это химическое соединение лучше всего использовать для создания аккумуляторов для зарядки телефонов, фотоаппаратов и ноутбуков. Здесь анод изготовлен из графита, а катод - из оксида кобальта. Недостатком этой батареи является малый срок службы и термостойкость.

Оксид лития-марганца (LiMn2O4)

Использование оксида лития-марганца в качестве батареи было впервые коммерциализировано в 1996 году. Здесь оксид лития-марганца используется в качестве катода. Его трехмерное образование шпинели помогает увеличить поток ионов к электроду. Это помогает снизить внутреннее сопротивление и увеличить ток, протекающий через систему. По сравнению с другими литий-ионными батареями эта ассоциация химических элементов отличается более высокой термостойкостью. Однако жизнь тоже ограничена.

Оксид лития, никеля, марганца, кобальта (LiNiMnCoO2)

Самая популярная и успешная ассоциация химических элементов - это комбинация оксида лития, никеля, марганца, кобальта. Катод выполнен из комбинации NMC (никель-марганец-кобальт). Эти батареи обладают высокой плотностью энергии и, следовательно, могут использоваться в качестве силовых или энергетических элементов. Эта комбинация лучше всего подходит для электровелосипедов, трансмиссий и инструментов. Катод использует 1/3 марганца, никеля и кобальта соответственно.

Литий-фосфат железа (LiFePO4)

Еще в 1996 году исследователи обнаружили, что фосфат также можно использовать в качестве катода для литий-ионных аккумуляторов. Эта комбинация обеспечивает низкое сопротивление и лучшую производительность. Он также отличается длительным сроком службы, лучшей переносимостью и высокой термической стабильностью.

Литий-ионные аккумуляторы и химические технологии 2019

Один из последних технологических исследователей в области химии литий-ионных аккумуляторов - это твердотельные электролиты и электроды. В настоящее время во всех литий-ионных технологиях используются жидкие электролиты. Это вызывает большое сопротивление. Более того, это также означает, что для разделения анода и катода требуются дорогостоящие мембраны. Не говоря уже о том, что непроницаемый кожух, используемый для предотвращения утечки, тоже стоит недешево. До сих пор это серьезно ограничивало конструкцию и свободу выбора литий-ионных батарей.

Постепенный переход к твердотельным электролитам может решить такие проблемы. Это особенно пойдет на пользу носимым устройствам, электромобилям и рынку дронов. В 2011 году Токийский технологический институт и Toyota открыли твердый электролит на сульфидной основе, который имеет такую же проводимость, как и жидкий электролит. К 2016 году им удалось удвоить проводимость. Это привело к повышенному интересу к твердотельному электролиту с целью дальнейшего улучшения характеристик литий-ионных аккумуляторов.

В твердотельных батареях все химические элементы, будь то электролиты или электроды, будут твердотельными. Электролит из-за его образования будет действовать как разделитель, устраняя необходимость в кожухе и мембране. Следовательно, аккумулятор будет гибким, тонким и с высокой плотностью энергии. Его долговечность также улучшится за счет удаления жидкого электролита.

Разработка твердотельных аккумуляторов - это новая технология, над которой исследователи будут работать в 2019 году. Эта стратегия аккумуляторов готова изменить все, что мы знаем о рынке аккумуляторов.

Заключение

Литий-ионные батареи никуда не денутся. Они значительно лучше обычных никель-кадмиевых батарей. Благодаря постоянным инновациям в них мы можем ожидать, что с каждым годом они будут становиться все лучше с точки зрения производительности и долговечности. Только время покажет, насколько они улучшатся.