Что вы думаете о компонентах литий-ионных аккумуляторов?

Вступление

Литий-ионные аккумуляторы считаются одной из лучших технологий хранения энергии. Эти батареи широко используются в электромобилях, портативных устройствах, энергосистемах и т. Д. С момента коммерциализации литий-ионных аккумуляторов в 1991 году плотность энергии литий-ионных аккумуляторов резко возросла. В настоящее время мы испытали современные клетки, которые могут достигать очень высоких уровней энергии. Продолжаются обширные исследования и разработки, которые, несомненно, расширяют возможности производства безопасных и надежных литий-ионных аккумуляторов, которые будут использоваться в гибридных электрических и электрических транспортных средствах, а также в солнечных элементах и ветряных мельницах. Тем не менее, безопасность литий-ионных аккумуляторов по-прежнему вызывает беспокойство, время автономной работы по-прежнему недостаточное, а затраты слишком высоки. В этой статье вы узнаете об основных компонентах литий-ионной батареи, их функциях и способах обработки.

Введение в основные компоненты литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные батареи состоят из четырех основных компонентов; катод, анод, электролит и сепаратор. Каждый компонент литий-ионной батареи важен, и батарея не может работать, если один из компонентов отсутствует. Эти компоненты составляют самый маленький рабочий элемент в батарее, известный как электрохимический элемент, состоящий из катода и анода, разделенных и соединенных электролитом.

Конструкции ячеек и комбинации в модулях и аккумуляторных блоках сильно различаются. Однако в этой статье вы узнаете об основных конструкциях ячеек, а затем об их обработке и производстве.

Электроды в литий-ионных элементах всегда из твердых материалов. Вы можете использовать электролиты, чтобы различать типы ячеек. Электролит может быть жидким, гелевым или твердым. Например, электролиты в гелевых и твердотельных элементах представляют собой структурный компонент и требуют дополнительных сепараторов для эффективного разделения электролитов и предотвращения коротких замыканий.

Различные роли компонентов литий-ионной батареи

Катод

Катод может быть изготовлен из самых современных материалов, включая оксиды лития-металла, оксиды ванадия, оливины и перезаряжаемые оксиды лития. Слоистые оксиды, такие как кобальт и никель, являются наиболее изученными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Они связаны с высокой стабильностью в диапазоне высоких напряжений. Однако доступность кобальта очень ограничена по своей природе, и он токсичен, что препятствует массовому производству. Марганец представляет собой недорогую замену с высоким тепловым порогом и отличными скоростными характеристиками, но предлагает ограниченную возможность переключения.

Смеси кобальта, никеля и марганца используются для объединения лучших свойств и минимизации недостатков. Некоторые литий-ионные батареи содержат оксиды ванадия, которые обеспечивают большую емкость и отличную кинетику, но из-за введения и извлечения лития материал имеет тенденцию становиться аморфным, что ограничивает циклическое поведение. Кроме того, есть оливины, которые нетоксичны и обладают умеренной емкостью с низким выцветанием из-за цикличности, но их проводимость низкая. Некоторые методы используются для покрытия материала для улучшения проводимости материала, но это только увеличивает затраты на обработку батареи.

Чтобы литий-ионный аккумулятор вырабатывал электричество, должны происходить химические реакции лития. Вот почему в батарее используется литий, и это то, что называется катодом. Однако литий нестабилен, поэтому он используется в сочетании лития и кислорода для образования оксида лития в качестве катода. В катоде литий-ионной батареи оксид лития используется в качестве активного материала.

На катоде имеется тонкая алюминиевая фольга, используемая для удержания каркаса катода, покрытого составом, состоящим из активного материала, проводящей добавки и связующего. Активный материал содержит ионы лития, проводящая добавка добавляется для увеличения проводимости, а связующее используется в качестве клея, который позволяет активному материалу и проводящему материалу оставаться на месте на алюминиевой подложке.

Катод играет важную роль в определении свойств батареи, поскольку емкость и напряжение батареи определяются типом активного материала, используемого для катода. Чем больше лития, тем больше емкость. Кроме того, чем больше разница потенциалов между катодом и анодом, тем выше напряжение.

В большинстве случаев разность потенциалов мала для анода в зависимости от типа, но для катода разность потенциалов в целом относительно высока, и, таким образом, катод играет очень важную роль в определении напряжения батареи.

Анод

Анод также покрыт активным материалом, который играет важную роль в обеспечении прохождения электрического тока через внешнюю цепь и в то же время позволяет обратимое поглощение ионов лития, высвобождаемых из катода.

В заряженном состоянии батареи анод содержит высокую концентрацию интеркалированных ионов лития, в то время как катод обеднен литием. В это время, когда проводящий провод соединяет анод с катодом, что называется состоянием разряда, ионы лития естественным образом текут от анода через электролит к катоду, в то время как связанный с ним электрон используется для питания электрического устройства.

В аноде используется графит, потому что он имеет стабильную структуру. Кроме того, из-за его низкой электрохимической активности, условий для хранения большого количества ионов лития и цены графит считается подходящим для использования в качестве анода.

Электролит

Электролит допускает движение только литий-ионных аккумуляторов. Ионы лития движутся через электролит, а электроны движутся по проволоке. Таким образом, электролит играет важную роль в использовании электричества в батарее.

Электролит служит средой, которая позволяет перемещаться только ионам лития между катодом и анодом. В качестве электролита в основном используются материалы с высокой ионной проводимостью для облегчения движения ионов лития вперед и назад.

Электролит состоит из солей, растворителей и добавок. Соли обеспечивают проход для движения ионов лития, растворители - это органические жидкости, которые растворяют соли, а добавки добавляются в небольших количествах для определенных целей.

Такой электролит только позволяет ионам двигаться к электродам и не пропускает электроны. Также скорость движения ионов лития зависит от типа электрона.

Разделитель

Сепаратор действует как физический барьер между катодом и анодом. Он установлен для предотвращения прямого потока электронов и позволяет только ионам лития проходить через внутреннее микроскопическое отверстие. Следовательно, материал сепаратора должен соответствовать всем физическим и электрохимическим условиям.

Сепараторы, которые обычно используются сегодня, представляют собой синтетические смолы, такие как полиэтилен (PE) и полипропилен (PP).

Сепараторы имеют встроенные механизмы теплового отключения и дополнительные внешние сложные системы управления температурой, которые добавляются к модулям и аккумуляторным блокам. При повышенных температурах он плавится или закрывает поры, чтобы остановить движение ионов лития, не теряя своей механической стабильности.

Обработка компонентов литий-ионных аккумуляторов

Во время разряда происходит движение ионов лития от анода к катоду. Процессы интеркаляции и деинтеркаляции приводят к изменению объема активных электродных материалов. Этот повторяющийся процесс из-за циклирования может вызвать трещины и, в конечном итоге, привести к разрушению, что приведет к непригодному для использования активному материалу электрода из-за отсоединения коллектора электрода или короткого замыкания.

Усилия по обработке и производству материалов для повышения производительности и управления неизбежным изменением объема привели к созданию композитных материалов с микро- и наноразмерными частицами. Наночастицы могут справляться с изменением объема с очень низким риском возникновения трещин. В дополнение к этому их микромасштабные агломераты и композиты приводят к минимальной длине пути диффузии через электроды медленной диффузии.

В цилиндрических элементах электролиты образованы из пастообразных порошков активного материала, связующих веществ, растворителей и добавок, нанесенных на фольгу токосъемника, такую как алюминий для стороны катода и медь для стороны анода. После каландрирования для получения однородной толщины и стороны частиц следует продольная резка до нужной ширины. Затем компоненты укладываются друг на друга на катод сепаратор-анод-сепаратор, после чего наматываются на цилиндрические ячейки, вставляются в цилиндрические корпуса и приваривается токопроводящий язычок. Затем ячейки заполняются электролитом, который должен смачивать сепаратор, а также впитывать и смачивать электроды. Затем устанавливаются и подключаются все остальные необходимые изоляторы, уплотнения и предохранительные устройства.

После того, как все это будет сделано, элементы заряжаются в первый раз с использованием сложных протоколов для повышения производительности, цикличности и времени автономной работы, а затем тестируются.

Заключение

Вы только что узнали об основных компонентах литий-ионной батареи и их различных функциях. Химический состав литий-ионных элементов предлагает одни из лучших альтернатив для хранения электроэнергии для электрических устройств и приложений. Это связано с их электрохимическим потенциалом, высокой емкостью и плотностью энергии.