Bateriile de litiu sunt un nou tip de baterie cu energie mare dezvoltată cu succes în secolul XX. Ele pot fi înțelese ca baterii care conțin elemente de litiu (inclusiv litiu metalic, aliaje de litiu, ioni de litiu și polimeri de litiu). Acestea pot fi împărțite în baterii metalice de litiu (rareori produse și utilizate) și baterii cu ioni de litiu (utilizate acum în cantități mari). Datorită avantajelor sale, cum ar fi energia specifică ridicată, tensiunea ridicată a bateriei, intervalul larg de temperatură de funcționare și durata de depozitare lungă, acestea au fost utilizate pe scară largă în aparate electrice mici și civile și civile, cum ar fi telefoanele mobile, computerele portabile, camerele video, camerele etc., înlocuind parțial bateriile tradiționale.
Originea și dezvoltarea bateriilor cu ioni de litiu
- În anii '70, MS Whittingham de Exxon a folosit sulfura de titan ca material pozitiv al electrodului și litiu metalic ca material de electrod negativ pentru a face prima baterie de litiu.
- În 1980, J. Goodenough a descoperit că oxidul de cobalt de litiu poate fi utilizat ca material electrod pozitiv al bateriilor cu litiu-ion.
- În 1982, Rragarwal și Jrselman de la Institutul de Tehnologie din Illinois au descoperit că ionii de litiu au proprietatea de a fi încorporate în grafit, iar acest proces este rapid și reversibil. În același timp, pericolele de siguranță ale bateriilor de litiu din litiu metalic au atras multă atenție, astfel încât oamenii au încercat să folosească proprietățile ionilor de litiu încorporate în grafit pentru a face baterii reîncărcabile. Primul electrod de grafit cu ioni de litiu utilizabil a fost produs cu succes de Trial de Bell Laboratories.
- În 1983, M.Thackeray, J.Goodenough și alții au descoperit că spinelul mangan este un material excelent de electrod pozitiv, cu preț scăzut, stabilitate și conductivitate electrică și litiu excelentă. Are o temperatură ridicată de descompunere, iar oxidarea sa este mult mai mică decât cea a oxidului de cobalt de litiu. Chiar dacă are loc scurtcircuit sau supraîncărcare, acesta poate evita pericolul de ardere și explozie.
- În 1989, A.Manthiram și J.Goodenough au descoperit că electrodul pozitiv folosind anioni polimerizați va produce o tensiune mai mare.
- În 1991, Sony a lansat prima baterie comercială cu litiu-ion. Ulterior, bateriile cu ioni de litiu au revoluționat apariția electronicelor de consum.
- În 1996, Padhi și Goodenough au descoperit că fosfații cu structuri de olivină, cum ar fi fosfatul de fier de litiu (LIFEPO4), sunt superiori materialelor tradiționale cu electrode pozitive și, prin urmare, au devenit materialele actuale de electrod pozitiv.
Bateriile cu litiu-ion (baterii Li-ion) sunt dezvoltate din baterii cu litiu. Deci, înainte de a introduce Li-ion, să introducem mai întâi bateriile de litiu. De exemplu, bateriile cu butoane aparțin bateriilor de litiu. Materialul pozitiv cu electrod al bateriilor de litiu este dioxidul de mangan sau clorura de tionil, iar electrodul negativ este litiu. După ce bateria este asamblată, bateria are tensiune și nu trebuie să fie încărcată. Acest tip de baterie poate fi de asemenea încărcat, dar performanța ciclului nu este bună. În timpul ciclului de încărcare și descărcare, dendritele de litiu se formează cu ușurință, ceea ce determină scurtcircuite interne ale bateriei, astfel încât în circumstanțe normale, acestui tip de baterie este interzis să fie încărcat.
Ulterior, Sony Corporation din Japonia a inventat o baterie de litiu cu material de carbon ca electrod negativ și compuși care conțin litiu ca electrod pozitiv. În timpul procesului de încărcare și descărcare, nu există litiu metalic, doar ioni de litiu. Aceasta este o baterie cu litiu-ion.
La începutul anilor 1990, Sony Energy Development Company din Japonia și Moli Energy Company din Canada, respectiv, a dezvoltat cu succes un nou tip de baterie cu litiu-ion, care nu numai că are performanțe bune, dar este și ecologic. Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei informației, a mașinilor de mână și a vehiculelor electrice, cererea de surse de energie de înaltă eficiență a crescut dramatic, iar bateriile de litiu au devenit unul dintre câmpurile cu cea mai rapidă creștere.
Structura și principiul bateriilor cu ioni de litiu
(1) Componentele principale ale bateriilor cu litiu-ion:
① Electrod pozitiv - Materiale active se referă în principal la oxid de cobalt de litiu, oxid de mangan de litiu, fosfat de fier de litiu, oxid de nichel de litiu, oxid de mangan de cobalt de nichel, etc. Colectorul curent conductiv folosește în general folie de aluminiu cu o grosime de {{1} microni;
② Diafragmă - Un film de plastic special care permite trecerea ionilor de litiu, dar este un izolator pentru electroni. În prezent, există în principal două tipuri: PE și PP și combinațiile lor. Există, de asemenea, un tip de diafragmă solidă anorganică, cum ar fi acoperirea cu diafragmă de alumină, care este o diafragmă solidă anorganică;
③ Electrod negativ - Materialul activ se referă în principal la grafit, titanat de litiu sau materiale de carbon cu o structură similară cu grafitul. Colectorul de curent conductiv folosește, în general, folia de cupru cu o grosime de 7-15 microni;
④ Electrolit - În general, un sistem organic, cum ar fi solvenții de carbonat dizolvat cu hexafluorofosfat de litiu, iar unele baterii polimerice folosesc electroliți cu gel;
⑤ Shell Battery - împărțit în principal în coajă dură (coajă de oțel, coajă de aluminiu, coajă de fier placat cu nichel etc.) și pachet moale (film din plastic din aluminiu).
Când bateria este încărcată, ionii de litiu sunt desintercalați de la electrodul pozitiv și încorporat în electrodul negativ și invers în timpul descărcării. Acest lucru necesită un electrod să fie într-o stare intercalată cu litiu înainte de asamblare. În general, oxizii de metal de tranziție intercalat cu litiu cu un potențial mai mare de 3V în raport cu litiu și stabil în aer sunt selectați ca electrozi pozitivi, cum ar fi LiCoo2, Linio2 și Limn2O4.
Ca material de electrozi negativi, sunt selectați compuși cu un potențial cât mai aproape de potențialul de litiu posibil, cum ar fi diverse materiale de carbon, inclusiv grafit natural, grafit sintetic, fibră de carbon, mezofază spherulită, etc. și oxide metalice, inclusiv SNO, SNO2, oxid compus de staniu Snbxpyoz (x =0} 4 ~ {{4} y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2), etc.
Electrolitul adoptă un sistem de solvent mixt de carbonate alchil, cum ar fi carbonatul de etilenă (CE), carbonatul de propilenă (PC) și carbonatul dietil cu vâscozitate scăzută (DEC) al LIPF6.
Diafragma adoptă membrane microporoase poliolefine, cum ar fi PE, PP sau membranele lor compuse, în special diafragma cu trei straturi PP\/PE\/PP, care nu numai că are un punct de topire scăzut, dar are și o rezistență ridicată la rezistență la puncție, care joacă un rol de asigurare termică.
Învelișul este confecționat din oțel sau aluminiu, iar ansamblul de acoperire are funcția de alimentare cu rezistență la explozie.
(2) Principiul de bază de lucru
Când încărcați bateria, ionii de litiu sunt eliberați din compusul care conține litiu în electrodul pozitiv, iar ionii de litiu se deplasează la electrodul negativ prin electrolit. Materialul de carbon din electrodul negativ are o structură stratificată cu multe micropore. Ionii de litiu care ajung la electrodul negativ sunt încorporați în microporele stratului de carbon. Cu cât sunt încorporate mai mulți ioni de litiu, cu atât este mai mare capacitatea de încărcare.
Când descărcați bateria (adică procesul de utilizare a bateriei), ionii de litiu încorporați în stratul de carbon al electrodului negativ sunt eliberați și se mută înapoi la electrodul pozitiv. Cu cât sunt mai mulți ioni de litiu care revin la electrodul pozitiv, cu atât este mai mare capacitatea de descărcare. Ceea ce numim de obicei capacitatea bateriei se referă la capacitatea de descărcare.
În timpul procesului de încărcare și descărcare a bateriilor cu litiu-ion, ionii de litiu sunt în stare de mișcare de la electrod pozitiv → electrod negativ → electrod pozitiv. Aceasta este ca un balansoar, cele două capete ale balansoarului fiind cei doi poli ai bateriei și ioni de litiu care se deplasează înainte și înapoi la cele două capete ale balansoarului. Prin urmare, bateriile cu ioni cu litiu sunt, de asemenea, numite baterii cu balansoare.
Mecanism de încărcare și descărcare
- Procesul de încărcare a bateriilor cu litiu-ion este împărțit în două etape: stadiul constant de încărcare a curentului și curentul de tensiune constant care scade stadiul de încărcare.
- Supraîncărcarea și descărcarea bateriilor cu ioni de litiu vor provoca deteriorare permanentă a electrozilor pozitivi și negativi. Supradispunerea determină să se prăbușească structura foii de carbon a electrodului negativ, iar prăbușirea va împiedica introducerea ionilor de litiu în timpul încărcării; Supraîncărcarea determină încorporarea prea multor ioni de litiu în structura de carbon a electrodului negativ, ceea ce face ca unii dintre ioni de litiu să nu mai fie eliberați.
- Cea mai bună metodă de încărcare și descărcare pentru bateriile cu ioni de litiu pentru a menține performanța este încărcarea superficială și descărcarea superficială. În general, 60% DOD este de 2 până la 4 ori mai mult decât durata de viață a ciclului în condiții 100% DOD.
Principalii indicatori de performanță ai bateriilor cu ioni cu litiu
(1) Capacitatea bateriei
Capacitatea unei baterii poate fi împărțită în capacitate nominală și capacitate reală. Capacitatea nominală a unei baterii se referă la cantitatea de energie electrică pe care ar trebui să o furnizeze bateria atunci când este evacuată la tensiunea de terminare la o viteză de 5 ore sub o temperatură ambiantă de 20 de grade ± 5 grade și este reprezentată de C5. Capacitatea reală a unei baterii se referă la cantitatea reală de energie electrică descărcată de baterie în anumite condiții de descărcare, ceea ce este afectat în principal de rata de descărcare și temperatură (deci strict vorbind, capacitatea bateriei ar trebui să indice condițiile de încărcare și descărcare).
Unitate de capacitate: mah, ah (1ah =1000 mah).
(2) Rezistența internă a bateriei
Rezistența internă a bateriei se referă la rezistența întâlnită de curentul care curge prin baterie atunci când funcționează bateria. Este format din două părți: rezistență internă ohmică și rezistență internă de polarizare. O rezistență internă mare a bateriei va duce la o tensiune de descărcare mai mică și la un timp de descărcare mai scurt. Mărimea rezistenței interne este afectată în principal de factori precum materialul bateriei, procesul de fabricație și structura bateriei. Rezistența internă a bateriei este un parametru important pentru măsurarea performanței bateriei.
(3) Tensiune
Tensiunea de circuit deschis se referă la diferența de potențial între electrozii pozitivi și negativi ai bateriei atunci când bateria nu funcționează, adică atunci când nu curge curent în circuit. În general, tensiunea de circuit deschis a unei baterii cu ioni de litiu este de aproximativ 1. 1-4. 2v după ce este complet încărcată și aproximativ 3. 0 V după ce este descărcată. Starea de încărcare a bateriei poate fi determinată prin detectarea tensiunii de circuit deschis a bateriei.
Tensiunea de funcționare, cunoscută și sub denumirea de tensiune terminală, se referă la diferența de potențial între electrozii pozitivi și negativi ai bateriei atunci când bateria este în starea de lucru, adică atunci când există curent care curge în circuit. Atunci când bateria este în stare de funcționare a descărcării, atunci când curentul curge prin baterie, nu este nevoie să depășească rezistența cauzată de rezistența internă a bateriei, astfel încât tensiunea de lucru este întotdeauna mai mică decât tensiunea circuitului deschis, iar opusul este adevărat la încărcare. Tensiunea de funcționare a descărcării bateriilor cu litiu-ion este în jur de 3,6V.
(4) Timpul platformei de descărcare
Timpul platformei de descărcare se referă la timpul de descărcare când bateria este complet încărcată la o anumită tensiune. De exemplu, se măsoară timpul platformei de descărcare a unei baterii ternare la 3.6V. Tensiunea este încărcată la 4.2V la o tensiune constantă, iar curentul de încărcare este mai mic decât 0. 02C, atunci încărcarea este oprită, adică după ce bateria este complet încărcată, iar apoi este lăsată 10 minute. Timpul de descărcare când este externat la 3,6V la orice curent de descărcare este timpul platformei de descărcare la curentul respectiv.
Deoarece tensiunea de lucru a unor aparate electrice folosind baterii cu ioni cu litiu are cerințe de tensiune, dacă este mai mică decât valoarea necesară, nu va funcționa. Prin urmare, platforma de descărcare este unul dintre criteriile importante pentru măsurarea performanței bateriilor.
(5) rata de încărcare și descărcare
Rata de încărcare și descărcare se referă la valoarea curentă necesară pentru ca bateria să -și descarce capacitatea nominală într -un timp specificat. 1C este numeric egală cu capacitatea nominală a bateriei și este de obicei reprezentată de litera C. De exemplu, dacă capacitatea nominală nominală a bateriei este 1 0 ah, atunci 10A este 1C (1 rată), 5a este 0,5C, 100a este 10c și așa mai departe.
(6) Rata de auto-descărcare
Rata de auto-descărcare, cunoscută și sub denumirea de capacitate de retenție a încărcării, se referă la capacitatea bateriei de a păstra cantitatea de energie electrică stocată în baterie în anumite condiții atunci când bateria este într-o stare de circuit deschis. Este afectat în principal de factori precum procesul de fabricație, materialele și condițiile de depozitare ale bateriei. Este un parametru important pentru măsurarea performanței bateriei.
(7) Eficiență
Eficiența de încărcare se referă la măsura gradului în care energia electrică consumată de baterie în timpul procesului de încărcare este transformată în energia chimică pe care bateria o poate stoca. Este afectat în principal de procesul bateriei, formula și temperatura mediului de lucru a bateriei. În general, cu cât temperatura ambiantă este mai mare, cu atât este mai scăzută eficiența de încărcare.
Eficiența descărcării se referă la raportul dintre cantitatea reală de electricitate evacuată la tensiunea terminală în anumite condiții de descărcare la capacitatea nominală a bateriei. Este afectat în principal de factori precum rata de descărcare, temperatura ambiantă și rezistența internă. În general, cu cât rata de descărcare este mai mare, cu atât este mai scăzută eficiența descărcării. Cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai scăzută eficiența descărcării.
(8) Viața ciclului
Durata de viață a ciclului bateriei se referă la numărul de timpuri de încărcare și descărcare pe care o baterie o suferă într -un anumit regim de încărcare și descărcare atunci când capacitatea bateriei scade la o anumită valoare specificată. GB pentru bateriile cu ioni de litiu prevede că rata de retenție a capacității unei baterii după 500 de cicluri la 1C este peste 60%.
Clasificări principale ale bateriilor cu ioni cu litiu
① Conform diferitelor materiale electrolitice utilizate în bateriile de litiu, bateriile cu litiu pot fi împărțite în două categorii: baterii cu litiu lichid (baterii cu ioni de litiu, denumite LIB) și baterii cu litiu polimeric (baterii cu ioni de litiu polimer
② Conform metodei de încărcare, acestea pot fi împărțite în două categorii: nere-reîncărcabile și reîncărcabile.
③ Aspectul bateriei cu litiu: bateria pătrată de litiu (cum ar fi bateriile de telefon mobil utilizate în mod obișnuit) și cilindrice (cum ar fi 18650, 18500);
④ Materiale de ambalare a bateriei cu litiu: baterie de litiu din aluminiu, baterie de litiu din oțel, baterie de pachet soft;
⑤ Baterie de litiu din materialele cu electrozi pozitivi și negativi (aditivi): oxid de cobalt cu litiu (LICOO2) Baterie, oxid de mangan litiu (LIMN2O4), baterie de fosfat de fier de litiu, bateria de dioxid de dioxid de mangan de unică folosință
