Lítiová batéria je nový typ vysokoenergetickej batérie, ktorá bola úspešne vyvinutá v 20. storočí. Dá sa chápať ako batéria obsahujúca lítia (vrátane kovového lítia, zliatiny lítium, lítium -iónov, lítiového polyméru). Môže sa rozdeliť na kovovú batériu lítium (veľmi málo výroby a používania) a lítium -iónovej batérie (teraz široko používanej). Vďaka svojim výhodám, ako je vysoká špecifická energia, vysoké napätie batérie, široký dosah prevádzkovej teploty a dlhá životnosť skladovania, sa široko používa vo vojenských a civilných malých elektrických spotrebičoch, ako sú mobilné telefóny, prenosné počítače, kamery, fotoaparáty atď. A čiastočne nahradili tradičné batérie.
01 Pôvod a vývoj lítium-iónových batérií
V 70. rokoch 20. storočia MS Whittingham z Exxonu použila titánový sulfid ako pozitívny elektródový materiál a kovový lítium ako negatívny elektródový materiál na výrobu prvej lítiovej batérie.
V roku 1980 J. Goodenough zistil, že oxid kobaltu lítium sa môže použiť ako pozitívny elektródový materiál lítium-iónových batérií.
V roku 1982 zistili Rragarwal a Jrselman z technologického inštitútu Illinois, že lítiové ióny majú vlastnosť zabudovaného do grafitu a tento proces je rýchly a reverzibilný. Zároveň bezpečnostné riziká lítiových batérií vyrobených z kovového lítia priťahovali veľkú pozornosť, takže ľudia sa pokúsili použiť vlastnosti lítiových iónov zabudovaných do grafitu na nabíjateľné batérie. Prvú použiteľnú litium-iónovú grafitovú elektródu úspešne vyrábala Bell Laboratories.
V roku 1983 M.Thackeray, J.Goodenough a ďalší zistili, že mangánový spinel je vynikajúci pozitívny elektródový materiál s nízkou cenou, stabilitou a vynikajúcou elektrickou a lítiovou vodivosťou. Má vysokú teplotu rozkladu a jej oxidabilita je oveľa nižšia ako teplota oxidu kobaltu lítium. Aj keď dôjde k skratu alebo nadmernému nabíjaniu, môže sa vyhnúť nebezpečenstvu spaľovania a výbuchu.
V roku 1989 A.manthiram a J.Goodenough zistili, že pozitívna elektróda pomocou polymerizovaných aniónov bude produkovať vyššie napätie.
V roku 1991 spoločnosť Sony vydala prvú komerčnú lítium-iónovú batériu. Následne lítium-iónové batérie revolúciu v revolúcii vo výskyte spotrebnej elektroniky.
V roku 1996 Padhi a Goodenough zistili, že fosfáty s olivínovými štruktúrami, ako je lítiumfosforečnan (LIFEPO4), sú lepšie ako tradičné pozitívne elektródové materiály, a preto sa stali súčasnými materiálmi pozitívnych elektródových materiálov.
Predstavovať
Lítium-iónové batérie (li-iónové batérie) sa vyvíjajú z lítiových batérií. Pred zavedením Li-Ion sa teda najprv zavedie lítium batérie. Napríklad gombíkové batérie patria do lítiových batérií. Pozitívnym elektródovým materiálom lítiových batérií je oxid mangánu alebo tionylchlorid a negatívnou elektródou je lítium. Po zostavovaní batérie má batéria napätie a nemusí sa nabíjať. Tento typ batérie je možné nabíjať, ale výkon cyklu nie je dobrý. Počas cyklu náboja a vypúšťania sa dendrity lítium ľahko vytvoria, čo spôsobuje vnútorné skraty v batérii, takže za normálnych okolností je tento typ batérie zakázaný nabíjanie.
Neskôr Japonská spoločnosť Sony Corporation vynašla lítiovú batériu s uhlíkovým materiálom ako zápornou elektródou a zlúčeninami obsahujúcimi lítium ako pozitívnu elektródu. Počas procesu náboja a vybíjania neexistuje kovový lítia, iba lítium ióny. Jedná sa o lítium-iónovú batériu.
Začiatkom 90. rokov spoločnosť Sony Energy Development Company v Japonsku a spoločnosť Moli Energy Company v Kanade úspešne vyvinula nový typ lítium-iónovej batérie, ktorá má nielen dobrý výkon, ale je tiež šetrná k životnému prostrediu. S rýchlym rozvojom informačných technológií, vreckových strojov a elektrických vozidiel sa dopyt po vysoko účinných zdrojoch energie dramaticky zvýšil a lítiové batérie sa stali jedným z najrýchlejšie rastúcich polí.
02 Štruktúra a princíp lítium-iónových batérií
(1) Hlavné komponenty lítium-iónových batérií:
① Pozitívne elektródy - Aktívne materiály sa vzťahujú hlavne na oxid kobaltu lítium, oxid mangánu lítium, fosforečnan litium, fosforečnan lítium, oxid niklu kobaltu mangánový oxid atď.
② Membrána - špeciálny plastový film, ktorý umožňuje prechádzať lítium iónmi, ale je izolátorom pre elektróny. V súčasnosti existujú hlavne dva typy: PE a PP a ich kombinácie. Existuje tiež typ anorganickej tuhej membrány, ako je napríklad povlak hlinitého membrára, čo je anorganická tuhá membrána;
③ Negatívna elektróda - Aktívny materiál sa týka hlavne grafitového, lítiového titanuátu alebo uhlíkových materiálov so štruktúrou podobnou grafitu. Zberateľ vodivého prúdu vo všeobecnosti používa medenú fóliu s hrúbkou 7-15 mikrónov;
④ Elektrolyt - všeobecne organický systém, ako napríklad uhličitanové rozpúšťadlá rozpustené s hexafluorofosfátom lítium a niektoré polymérne batérie používajú gélové elektrolyty;
⑤ batéria-batéria-hlavne rozdelená na tvrdú škrupinu (oceľová škrupina, hliníková škrupina, niklová železná škrupina atď.) A mäkký balenie (hliníkovo plastický film).
Predstaviť si
Keď je batéria nabitá, lítium -ióny sa deperkalujú z kladnej elektródy a sú vložené do zápornej elektródy a naopak počas výboja. To si vyžaduje, aby elektróda bola pred montážou v lítii-interkalovanom stave. Všeobecne platí, že lítium-interkalované oxidy prechodných kovov s potenciálom väčším ako 3V v porovnaní s lítiom a stabilné vo vzduchu sa vyberú ako pozitívna elektróda, ako napríklad LICOO2, LICIO2 a LIMN2O4.
Ako negatívny materiál elektród, sú vybrané lítium-eMeddable zlúčeniny s potenciálom čo najbližšie k lítiovému potenciálu, ako sú rôzne uhlíkové materiály vrátane prírodného grafitu, syntetického grafitu, uhlíkového vlákna, mezofázového sférulitu atď. A oxidy kovov, vrátane SNO, SNO2, 6, 6 {}. y =0. 6 ~ 0. 4, z=({{}} x +5 y)/2) atď.
Elektrolyt prijíma zmiešaný rozpúšťadlo alkylových uhličitanov, ako je etylénkarbonát (EC), propylénkarbonát (PC) a nízko viskozita dietylkarbonát (DEC) Lipf6.
Membrána prijíma polyolefínové mikroporézne membrány, ako sú PE, PP alebo ich kompozitné membrány, najmä PP/PE/PP trojvrstvový membrána, ktorá má nielen nízky bod topenia, ale má tiež vysokú pevnosť vpitu v punkcii, ktorá hrá úlohu tepelného poistenia.
Škrupina je vyrobená z ocele alebo hliníka a zostava krytu má funkciu napájania odolného voči výbuchu.
(2) Základný pracovný princíp
Keď je batéria nabitá, lítium-ióny sa uvoľňujú zo zlúčeniny obsahujúcej lítium v pozitívnej elektróde a lítiové ióny sa pohybujú do zápornej elektródy cez elektrolyt. Uhlíkový materiál v negatívnej elektróde má vrstvenú štruktúru s mnohými mikropórmi. Línové ióny, ktoré dosahujú negatívnu elektródu, sú zabudované do mikropórov uhlíkovej vrstvy. Čím viac lítiových iónov je zabudovaných, tým vyššia je nabíjacia kapacita.
Keď je batéria vypustená (tj proces používania batérie), lítium -ióny zabudované do uhlíkovej vrstvy zápornej elektródy sa uvoľnia a presunú sa späť do kladnej elektródy. Čím viac lítiových iónov sa vracia do pozitívnej elektródy, tým vyššia je kapacita výboja. To, čo zvyčajne nazývame kapacita batérie, sa týka kapacity výboja.
Počas procesu nabíjania a vypúšťania lítium-iónových batérií sú lítium-ióny v stave pohybu z pozitívnej elektródy → negatívna elektróda → kladná elektróda. Je to ako hojdacia stolička, s dvoma koncami hojdacej stoličky, keď dva póly batérie a lítium ióny sa pohybujú tam a späť na oboch koncoch hojdacej stoličky. Preto sa lítium-iónové batérie nazývajú aj hojdacie kreslá batérie.
Predstaviť si
Predstaviť si
Mechanizmus nabíjania a vypúšťania
Proces nabíjania lítium-iónových batérií je rozdelený do dvoch štádií: štádium nabíjania konštantného prúdu a konštantné napätie, ktoré klesá štádium nabíjania.
Nadmerné nabíjanie a vypúšťanie lítium-iónových batérií spôsobí trvalé poškodenie pozitívnych a negatívnych elektród. Prehadzovanie spôsobuje zrútenie štruktúry uhlíkovej fólie negatívnej elektródy a kolaps zabráni vloženiu lítiových iónov počas nabíjania; Nadmerné nabíjanie spôsobuje príliš veľa lítiových iónov na to, aby sa vložilo do uhlíkovej štruktúry negatívnej elektródy, čo spôsobuje, že niektoré lítiové ióny sa už neuvoľňujú.
Najlepším spôsobom nabíjania a vypúšťania lítium-iónových batérií na udržanie výkonu je plytké nabíjanie a plytké vybíjanie. Všeobecne platí, že 60% DOD je 2 až 4 -násobok životnosti cyklu za 100% DoD podmienok.
03 Hlavné ukazovatele výkonnosti lítium-iónových batérií
(1) Kapacita batérie
Kapacita batérie je možné rozdeliť na menovitú kapacitu a skutočnú kapacitu. Menovacia kapacita batérie sa týka množstva elektriny, ktorú by mala batéria poskytnúť, keď je vypustená na ukončené napätie pri rýchlosti 5 hodín pri okolitej teplote 20 stupňov ± 5 stupňov a je predstavovaná C5. Skutočná kapacita batérie sa týka skutočného množstva elektrickej energie vypustenej batériou za určitých podmienok vybíjania, čo je ovplyvnené hlavne rýchlosťou a teplotou vybíjania (tak prísne povedané, kapacita batérie by mala naznačovať podmienky nabíjania a vypúšťania).
Kapacitná jednotka: mah, ah (1AH =1000 mah).
(2) Vnútorný odpor batérie
Vnútorný odpor batérie sa týka odporu, s ktorým sa vyskytuje prúd prúdom cez batériu, keď funguje batéria. Pozostáva z dvoch častí: Ohmický vnútorný odpor a vnútorný odpor polarizácie. Veľký vnútorný odpor s batériou povedie k nižšiemu napätiu vybíjania a kratšiemu času výpisu. Veľkosť vnútorného odporu je ovplyvnená hlavne faktormi, ako je materiál batérie, výrobný proces a štruktúra batérie. Vnútorný odpor batérie je dôležitým parametrom na meranie výkonu batérie.
(3) Napätie
Napätie otvoreného obvodu sa vzťahuje na potenciálny rozdiel medzi kladnými a zápornými elektródami batérie, keď batéria nefunguje, to znamená, keď v obvode nepreteká prúd. Všeobecne platí, že napätie otvoreného obvodu lítium-iónovej batérie je okolo 4. Stav nabíjania batérie sa dá určiť zistením otvoreného obvodu batérie.
Prevádzkové napätie, známe tiež ako koncové napätie, sa týka potenciálneho rozdielu medzi kladnými a zápornými elektródami batérie, keď je batéria v pracovnom stave, to znamená, keď v obvode prúdí prúd. Keď prúd preteká batériou, nemusí prekonávať odpor spôsobený vnútorným odporom batérie, takže pracovné napätie je vždy nižšie ako napätie s otvoreným obvodom. Opak je pravda pri nabíjaní. Pracovné napätie lítium-iónových batérií je okolo 3,6 V.
(4) Čas platformy výtoku
Čas vypúšťania platformy sa týka času výpisu, keď je batéria úplne nabitá na určité napätie. Meria sa napríklad čas vypúšťania platformy ternárnej batérie pri 3,6 V. Napätie sa nabíja na 4,2 V pri konštantnom napätí a nabíjací prúd je menší ako 0. 02C. Potom je batéria úplne nabitá a ponechaná samostatne po dobu 10 minút. Čas vybíjania, keď je batéria vypustená na 3,6 V pri akomkoľvek vybíjaní prúdu, je časom vybíjania platformy v tomto prúde.
Pretože niektoré elektrické spotrebiče používajúce lítium-iónové batérie majú požiadavky na napätie, ak je napätie nižšie ako požadovaná hodnota, nebudú fungovať. Preto je vypúšťacia plošina jedným z dôležitých kritérií na meranie výkonu batérií.
(5) sadzba náboja a výboja
Sadzba nabíjania a výpisu sa vzťahuje na aktuálnu hodnotu požadovanú pre batériu, aby sa vybíjala jej menovacia kapacita v stanovenom čase. 1C sa numericky rovná menovitej kapacite batérie a je zvyčajne reprezentované písmenom C. Napríklad, ak nominálna menovitá kapacita batérie je 1 {{{}} AH, potom 10a je 1c (1 rýchlosť), 5a je 0,5 ° C, 100A je 10c atď.
(6) Sadzba samostatne
Sadzba sebaplácania, známa tiež ako kapacita retencie náboja, sa týka schopnosti batérie udržať množstvo elektriny uloženej v batérii za určitých podmienok, keď je batéria v stave otvoreného obvodu. Ovplyvňujú to hlavne faktory, ako je výrobný proces, materiály a podmienky skladovania batérie. Je to dôležitý parameter na meranie výkonu batérie.
(7) Účinnosť
Účinnosť nabíjania sa vzťahuje na mieru stupňa, do akej sa elektrická energia spotrebovaná batériou počas procesu nabíjania premení na chemickú energiu, ktorú môže batéria skladovať. Je ovplyvnený hlavne procesom batérie, vzorcom a teplotou pracovného prostredia batérie. Všeobecne platí, že čím vyššia je teplota okolia, tým nižšia je účinnosť nabíjania.
Účinnosť vybíjania sa týka pomeru skutočného množstva elektrickej energie prepustenej do koncového napätia za určitých podmienok vybíjania k menovitej kapacite batérie. Ovplyvňuje to hlavne faktory, ako je rýchlosť vybíjania, teplota okolia a vnútorný odpor. Všeobecne povedané, čím vyššia je rýchlosť výtoku, tým nižšia je účinnosť výboja. Čím nižšia je teplota, tým nižšia je účinnosť výboja.
(8) Život v cykle
Životnosť cyklu batérie sa týka počtu časov nabíjania a vypúšťania, keď batéria podstúpi pri určitom režime nabíjania a vybíjania, keď kapacita batérie klesne na určitú stanovenú hodnotu. GB pre lítium-iónové batérie stanovuje, že rýchlosť zadržania kapacity batérie po 500 cykloch pri 1 ° C je nad 60%.
04 Hlavné klasifikácie lítium-iónových batérií
① Podľa rôznych elektrolytových materiálov používaných v lítiových batériách je možné lítium batérie rozdeliť do dvoch kategórií: tekuté lítiové batérie (lítium -iónové batérie, skrátene ako lib) a polymérne lítiové batérie (polymérne lítium -iónové batérie, skrátene).
② Podľa metódy nabíjania sa dajú rozdeliť do dvoch kategórií: nevyriešiteľné a nabíjateľné.
③ Vzhľad lítiovej batérie: štvorcová lítiová batéria (napríklad bežne používané batérie mobilných telefónov) a valcová (napríklad 18650, 18500);
④ Lítiové batériové materiály: hliníková škrupina lítiová batéria, lítiová batéria s oceľou, batéria so mäkkým balením;
⑤ lítiová batéria z kladných a negatívnych elektródových materiálov (prísady): oxid kobaltu lítium (LICOO2), oxid mangánu lítium (LIMN2O4), batéria fosforečnanu lítium, batéria lítium lítium litium
