Как сделать литиевую батарею?

Все мы знаем, что мир работает на литиевых батареях. И литиевая технология, безусловно, сделала нашу жизнь проще, чем когда-либо. От ноутбуков до смартфонов, которые мы используем, и даже в транспортных средствах в наши дни литиевые батареи встроены самым разумным образом. Преимущества этих батарей перевешивают риски, и это основная причина, по которой они занимают лидирующие позиции на рынке батарей.

Итак, здесь мы собираемся обсудить, как делается литиевая батарея. В аккумуляторах используется много материалов, и мы подробно рассмотрим их вместе с работой этих аккумуляторов. Давайте начнем.

Как делается литиевая батарея?

Чтобы понять, как работает литиевая батарея, вы должны знать, что в системе много компонентов. От анода до катода, от формы до электрохимии - за батареей, которую мы используем, работает более глубокая наука.

Типичная батарея состоит из анода, катода, сепаратора, электролита и двух токоприемников. Литиевый элемент хранится на обеих сторонах, то есть на аноде и катоде. Электролит помогает положительно заряженным ионам лития перемещаться от анода к катоду и наоборот. Когда ионы перемещаются между электродами, на аноде создаются свободные электроны, которые ответственны за наведение заряда на положительном токосъемнике. И именно токоприемник отвечает за протекание электрического тока. Сепаратор блокирует поток электронов внутри батареи, предотвращая ее короткое замыкание.

Какие материалы используются для изготовления литиевой батареи?

Теперь, когда вы понимаете основную идею литиевой батареи, пора копнуть немного глубже. Ниже описаны 4 основных компонента, в состав которых входят различные материалы.

1: Катодные материалы:

Наиболее подходящим катодным материалом для батарей являются оксиды лития-металла, такие как LiCoO2, Li (NixMnyCoz) O2, оливины, LiMn2O4 и некоторые другие перезаряжаемые оксиды лития. В настоящее время изучаются слоистые оксиды, содержащие кобальт и никель, для литий-ионных аккумуляторов. Это связано со стабильностью кобальта в высоковольтных диапазонах. Но кобальт токсичен по своей природе, и его доступность ограничена.

Марганец обычно используется из-за низкой стоимости замены и высокого порогового значения температуры элемента. Для получения лучших результатов используется комбинация марганца, кобальта и никеля, чтобы получить лучшие свойства и преодолеть недостатки.

2: Анодные материалы:

Наиболее распространенными анодными материалами для литиевых батарей являются литий, литиевые сплавы, графит, кремний и некоторые другие соединения углерода. Литий - простой материал, но с ним связано несколько проблем. Циклическое поведение лития и роста дендритов опасно для аккумулятора. Следовательно, углеродсодержащие материалы являются наиболее предпочтительными для литиевых батарей, поскольку они легко доступны и имеют низкую стоимость. Конечно, емкость аккумулятора снижена, но ученые все еще пытаются создать лучшую смесь, которая устранит недостатки и мы получим наилучшие результаты.

3: Материал электролита:

В качестве электролита литиевая батарея нуждается в прочном электролите, который может выдерживать высокие температуры и существующее напряжение. Наряду с этим электролит также должен обладать длительным сроком хранения при сохранении подвижности литий-ионов. Поэтому используются жидкие, полимерные и твердотельные электролиты. Электролит на основе органических соединений и растворителей - лучший выбор для литиевой батареи. Он содержит LiBC4O8 (LiBOB), LiPF6, Li [PF3 (C2F5) 3] и некоторые подобные соединения. При выборе электролита мы должны учитывать воспламеняемость растворителей, а также возможные условия теплового разгона. И вот как решается электролит.

4: Разделители:

Это материал, который отделяет два электрода друг от друга, чтобы предотвратить короткое замыкание литиевой батареи. Когда используемый электролит является жидким, используется пенный сепаратор, чтобы удерживать электролит на своем месте. Используемый сепаратор должен быть электронным изолятором и иметь минимальное сопротивление электролиту. Максимальная механическая стабильность, химическая стойкость к разложению и т. Д. - вот некоторые общие свойства, которые должен иметь сепаратор.

Для батарей, в которых используются твердотельные электролиты и некоторые полимерные электролиты, хорошо то, что они не нуждаются в каком-либо разделительном материале.

Как работает литий-ионная батарея?

Как и любой другой аккумулятор, литий-ионный аккумулятор работает аналогично. Основным компонентом батарей является элемент, генерирующий энергию, называемый ячейкой. Каждая ячейка содержит три основных компонента: положительный электрод, отрицательный электрод и химический электролит. Как следует из названия, положительный электрод подключается к положительной клемме аккумулятора, а отрицательный электрод - к отрицательной клемме.

Работа с батареями довольно проста. Во время зарядки положительный электрод выделяет некоторые ионы лития, и они перемещаются через электрод, достигая отрицательного иона. Затем ионы накапливаются на отрицательном электроде. Как только максимальное количество ионов накапливается на отрицательной стороне, аккумулятор полностью заряжается. Теперь во время процесса разряда ионы лития возвращаются к положительному электроду, высвобождая энергию, которая питает аккумулятор.

Движение ионов и электронов - это взаимосвязанный процесс. Оба эти процесса идут рука об руку. Если ионы перестают двигаться, потому что батарея полностью разряжена, поток электронов также прерывается во внешней цепи. То же самое происходит, когда вы выключаете устройство, которое питает аккумулятор. Движение ионов прекращается, и аккумулятор перестает быстро разряжаться. Однако процесс разряда продолжается очень медленно, даже если прибор перестает потреблять электроэнергию.

Лучшая особенность литий-ионных аккумуляторов - их электронные контроллеры. Эти контроллеры регулируют заряд и разряд аккумуляторов. Это обеспечивает защиту от перезарядки и перегрева батарей и предотвращает их взрыв в некоторых неблагоприятных обстоятельствах.

Как видите, химия батареи не так сложна, как кажется. Но есть много аспектов литиевых батарей, с которыми могут разобраться только специалисты. Итак, если вы когда-нибудь попытаетесь сконструировать литиевую батарею, соблюдайте все меры предосторожности и безопасности.