Что такое литиевая батарея?

Литий-ионная батарея - это вторичная батарея (перезаряжаемая батарея), в которой ионы лития перемещаются между положительными и отрицательными электродами. Во время заряда и разряда Li + интеркалируется и деинтеркалируется между двумя электродами: при зарядке Li + деинтеркалируется с положительного электрода, а электролит, залитый в отрицательный электрод, а отрицательный электрод находится в богатом литием состоянии.

Литиевые батареи подразделяются на литиевые и литиево-ионные. И в мобильных телефонах, и в ноутбуках используются литий-ионные батареи, которые обычно называют литиевыми батареями. Батарея обычно изготавливается из материала, содержащего литий в качестве электрода, и является представителем современных высокоэффективных батарей. Истинные литиевые батареи редко используются в бытовой электронике из-за их высокого риска.

Литий-ионный аккумулятор, разработанный японской корпорацией Sony в 1990 году. Он предназначен для введения ионов лития в углерод (нефтяной кокс и графит) для образования отрицательного электрода (литий для литиевых аккумуляторов или литиевые сплавы для обычных литиевых аккумуляторов). Материал положительного электрода обычно используется для LixCoO2, LixNiO2 и LixMnO4, а LiPF6 + диэтиленкарбонат (EC) + диметилкарбонат (DMC) в качестве электролита.

Нефтяной кокс и графит в качестве анодных материалов нетоксичны и имеют достаточные ресурсы. Ионы лития встраиваются в углерод, что преодолевает высокую активность лития и решает проблемы безопасности традиционных литиевых батарей. Положительный LixCoO2 может обеспечить зарядку и разрядку и срок службы. Чем выше уровень, тем ниже стоимость и общие характеристики литий-ионного аккумулятора улучшаются. Предполагалось, что литий-ионные батареи займут большой рынок в 21 веке.

Формула реакции для зарядки и разрядки литий-ионных вторичных батарей: LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + LixC.

Литий-ионные аккумуляторы легко спутать со следующими двумя типами аккумуляторов:

(1) Литиевая батарея: металлический литий, используемый в качестве отрицательного электрода.

(2) Литий-ионный аккумулятор: используется неводный жидкий органический электролит.

(3) Литий-ионный полимерный аккумулятор: полимер, используемый для гелеобразования жидкого органического растворителя, или непосредственно используется полностью твердый электролит. В литий-ионных батареях в качестве отрицательного электрода обычно используется углеродный материал на основе графита.

В 1970 году компания Exxon MS Whittingham использовала сульфид титана в качестве материала положительного электрода и металлический литий в качестве материала отрицательного электрода для изготовления первой литиевой батареи. Материал положительного электрода литиевой батареи - диоксид марганца или тонкохлоридный материал, а отрицательный электрод - литий. После сборки аккумулятор находится под напряжением и заряжать его не нужно. Литий-ионные батареи (Li-ion Batteries) - это разработка литиевых батарей. Например, батарейка-таблетка, используемая в предыдущей камере, была литиевой. Батарея также может заряжаться, но производительность цикла оставляет желать лучшего, а кристаллы лития легко образуются во время цикла зарядки и разрядки, вызывая внутреннее короткое замыкание батареи, поэтому, как правило, заряжать батарею запрещено. [2]

В 1982 году Р. Р. Агарвал и Дж. Р. Селман из Технологического института Иллинойса обнаружили, что ионы лития обладают свойством встраиваться в графит, что является быстрым и обратимым. В то же время литиевая батарея, сделанная из металлического лития, привлекла большое внимание, поэтому люди пытались создать перезаряжаемую батарею, используя характеристики встроенного литий-ионного графита. Bell Labs сократила доступный литий-ионный графитовый электрод.

В 1983 г. М. Теккерей, Дж. Гуденаф и др. обнаружили, что марганцевая шпинель является отличным катодным материалом с низкой стоимостью, стабильностью, отличной проводимостью и литиевыми направляющими свойствами. Температура разложения высока, а степень окисления намного ниже, чем у кобальтита лития. Даже при коротком замыкании или перезарядке можно избежать опасности возгорания и взрыва.

В 1989 г. А. Мантирам и Дж. Гуденаф обнаружили, что положительный электрод с полимерным анионом будет производить более высокое напряжение.

В 1992 году японская корпорация Sony изобрела литиевую батарею с использованием углеродного материала в качестве отрицательного электрода и литийсодержащего соединения в качестве положительного электрода. В процессе зарядки и разрядки металлический литий не существует, есть только ионы лития, которые являются литий-ионными батареями. Впоследствии литий-ионные батареи произвели революцию в потребительской электронике. Такая батарея, в которой в качестве материала положительного электрода используется кобальтит лития, по-прежнему является основным источником питания для портативных электронных устройств.

В 1996 году Пади и Гуденаф обнаружили, что фосфаты со структурой оливина, такие как фосфат лития-железа (LiFePO4), более безопасны, чем традиционные катодные материалы, особенно устойчивы к высоким температурам, а сопротивление перезаряду намного превосходит традиционные материалы для литий-ионных аккумуляторов.

На протяжении всей истории разработки аккумуляторов мы можем видеть три характеристики текущего развития мировой аккумуляторной индустрии. Во-первых, быстрое развитие экологически чистых аккумуляторов, в том числе литий-ионных, водородно-никелевых аккумуляторов и т.д .; второй - преобразование первичных батарей в батареи, что соответствует стратегии устойчивого развития; В-третьих, батарея будет развиваться в маленьком, легком и тонком направлении. Среди коммерческих перезаряжаемых батарей литий-ионные батареи имеют самую высокую удельную энергию, особенно полимерные литий-ионные батареи, благодаря которым аккумуляторные батареи становятся более тонкими. Именно потому, что литий-ионные батареи имеют более высокую объемную энергию и массу, чем энергия, могут быть заряжены и не загрязняют окружающую среду, а также обладают тремя характеристиками, присущими нынешнему развитию индустрии аккумуляторов, поэтому в развитых странах наблюдается быстрый рост. Развитие телекоммуникационных и информационных рынков, особенно широкое использование мобильных телефонов и портативных компьютеров, открыло рыночные возможности для литий-ионных аккумуляторов. Литий-ионный аккумулятор в литий-ионном аккумуляторе постепенно заменит литий-ионный аккумулятор с жидким электролитом, обладая уникальными преимуществами безопасности, и станет основным среди литий-ионных аккумуляторов. Полимерный литий-ионный аккумулятор, известный как «аккумулятор 21 века», открывает новую эру аккумуляторных батарей, и перспективы его развития весьма оптимистичны.

В марте 2015 года Шарп и профессор Танака Хён из Киотского университета совместно разработали литий-ионную батарею со сроком службы 70 лет. Полученная в ходе испытаний долговечная литий-ионная батарея имеет объем 8 кубических сантиметров и заряжается и разряжается 25 000 раз. Кроме того, Sharp заявила, что после того, как литий-ионный аккумулятор с длительным сроком службы заряжен и разряжен 10000 раз, его производительность остается стабильной.

Стальной корпус / алюминиевый корпус / цилиндр / серия гибкой упаковки:

(1) Положительный электрод: активным материалом обычно является манганит лития или оксид лития-кобальта, материал оксида лития-никеля, кобальта, марганца, электрический велосипед обычно используется манганит никель-кобальт (обычно известный как тройной) или тройной + небольшое количество манганита лития, чистый манганит лития и фосфат лития-железа постепенно исчезают из-за их большого размера, плохой производительности или высокой стоимости. Электродная жидкость представляет собой электролитическую алюминиевую фольгу толщиной от 10 до 20 мкм.

(2) Сепаратор - специально сформированная полимерная пленка с микропористой структурой, которая позволяет ионам лития свободно проходить, а электроны не могут проходить.

(3) Отрицательный электрод. Активным материалом является графит или углерод примерно графитовой структуры, а в токоприемнике используется электролитическая медная фольга толщиной 7-15 мкм.

(4) Органический электролит - карбонатный растворитель, в котором растворен гексафторфосфат лития, и полимерный электролит, используемый в качестве полимера.

(5) корпус батареи - разделен на стальной корпус (квадратный тип используется редко), алюминиевый корпус, корпус из никелированного железа (используется в цилиндрических батареях), алюминиевая пластиковая пленка (мягкая упаковка) и т. Д., А также крышка батареи , но и у аккумулятора есть положительный отрицательный полюс.

Литий-ионные батареи подразделяются на жидкие литий-ионные батареи (Liquified Lithium-Ion Battery, сокращенно LIB) и полимерные литий-ионные батареи (Polymer Lithium-Ion Battery, сокращенно PLB), в зависимости от материала электролита, используемого в литиевой батарее. ионный аккумулятор.

Литий-ионный аккумулятор (Li - ion)

Перезаряжаемые литий-ионные батареи в настоящее время являются наиболее широко используемыми батареями в современных цифровых продуктах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, но они более «скрипучие» и не могут быть перезаряжены или разряжены во время использования (что может повредить батарею или вызвать ее утилизировать). Поэтому на батарее есть защитные компоненты или схемы защиты, чтобы предотвратить дорогостоящее повреждение батареи. Требования к зарядке литий-ионных аккумуляторов очень высоки, чтобы гарантировать, что точность напряжения оконечной нагрузки находится в пределах ± 1%, основные производители полупроводниковых устройств разработали различные ИС для зарядки литий-ионных аккумуляторов, чтобы обеспечить безопасную, надежную и быструю зарядку.

В мобильных телефонах используются литий-ионные батареи. Правильное использование литий-ионных батарей важно для продления срока службы батарей. Он сделан в виде плоских прямоугольных, цилиндрических, прямоугольных и кнопочных форм в соответствии с требованиями различных электронных продуктов и имеет батарейный блок, состоящий из нескольких батарей, соединенных последовательно и соединенных параллельно. Номинальное напряжение ионно-литиевой батареи обычно составляет 3,7 В из-за изменения материала, а 3,2 В - это положительный электрод из фосфата лития-железа (далее именуемый феррофосфором). Напряжение завершения зарядки при полной зарядке обычно составляет 4,2 В, а для фосфорного железа - 3,65 В. Напряжение прекращения разряда литий-ионного аккумулятора составляет от 2,75 В до 3,0 В (завод по производству аккумуляторов дает диапазон рабочего напряжения или напряжение прекращения разряда, и параметры немного отличаются, обычно 3,0 В, а фосфорное железо - 2,5 В) . Продолжающийся разряд ниже 2,5 В (железо с фосфором 2,0 В) называется чрезмерной разрядкой, а чрезмерная разрядка приведет к повреждению аккумулятора.

Литий-ионный аккумулятор, в котором материал литий-кобальтитового типа является положительным электродом, который не подходит для использования в качестве разряда с большим током. Может быть опасно, что чрезмерный ток разряда сокращает время разряда (высокая температура, возникающая внутри, приводит к потере энергии). Однако литий-железо-фосфатный катодный материал литиевой батареи может заряжаться и разряжаться большим током 20 ° C или более (C - емкость аккумулятора, например C = 800 мАч, скорость зарядки 1C, т. Е. Ток зарядки составляет 800 мА), и особенно подходит для электромобилей. Таким образом, завод по производству аккумуляторов обеспечивает максимальный ток разряда, который должен быть меньше используемого максимального тока разряда. Литий-ионные аккумуляторы имеют определенные требования к температуре. На заводе указывается диапазон температур зарядки, диапазон температур разрядки и диапазон температур хранения. Зарядка от перенапряжения приведет к необратимому повреждению литий-ионного аккумулятора. Ток зарядки литий-ионного аккумулятора должен основываться на рекомендациях производителя аккумулятора и требует наличия цепи с ограничением тока во избежание перегрузки по току (перегрева). Обычно используется коэффициент зарядки от 0,25С до 1С. Часто необходимо определять температуру аккумулятора во время сильноточной зарядки, чтобы предотвратить повреждение аккумулятора или взрыв из-за перегрева.

Зарядка литий-ионного аккумулятора имеет две фазы: первая зарядка постоянным током и переход к зарядке постоянным напряжением, когда оно близко к напряжению завершения. Например, аккумулятор емкостью 800 мАч имеет напряжение оконечной зарядки 4,2 В. Аккумулятор заряжается постоянным током 800 мА (скорость зарядки 1С). Вначале напряжение батареи увеличивалось с большой крутизной. Когда напряжение батареи близко к 4,2 В, оно меняется на зарядку постоянного напряжения 4,2 В, ток постепенно уменьшается, а напряжение не сильно меняется. Когда зарядный ток падает до 1 / 10-50C (заводские настройки отличаются, это не влияет на использование), он считается близким к полному, и зарядка может завершиться (некоторые зарядные устройства запускают таймер после 1 / 10C, после определенное время) Завершить зарядку.

Страница содержит содержимое машинного перевода.