Литиевые батареи-это новый тип высокоэнергетических батарей, успешно разработанных в 20-м веке. Их можно понимать как батареи, содержащие литиевые элементы (включая металлический литий, литий -сплавы, литий -ионы и литий -полимеры). Их можно разделить на литиевые металлические батареи (редко производимые и используемые) и литий -ионные батареи (в настоящее время используются в больших количествах). Из -за своих преимуществ, таких как высокая удельная энергия, высокое напряжение батареи, широкий диапазон рабочих температур и длительный срок хранения, они широко использовались в военных и гражданских малых электрических приборах, таких как мобильные телефоны, портативные компьютеры, видеокамера, камеры и т. Д.
Происхождение и развитие литий-ионных батарей
- В 1970 -х годах MS Whittingham из Exxon использовала сульфид титана в качестве положительного электродного материала и металлического лития в качестве отрицательного электрода материала, чтобы сделать первую литиевую батарею.
- В 1980 году J. Goodenough обнаружил, что оксид литий-кобальта может использоваться в качестве положительного электрода материала литий-ионных батарей.
- В 1982 году Ррагарвал и Дж .рсельман из Иллинойского технологического института технологии обнаружили, что ионы лития обладают собственностью быть встроенным в графит, и этот процесс быстрый и обратимый. В то же время, опасности безопасности литиевых батарей, изготовленных из металлического лития, привлекли большое внимание, поэтому люди пытались использовать свойства литий -ионов, встроенных в графит, чтобы сделать аккумуляторные батареи. Первый полезный литий-ионный графитный электрод был успешно продуцирован испытанием Bell Laboratories.
- В 1983 году М.Такерай, Дж. Доденау и другие обнаружили, что марганцевой шпинель является отличным положительным электродом с низкой ценой, стабильностью и превосходной электрической и литиной. Он имеет высокую температуру разложения, и его окисляемость намного ниже, чем у оксида литий -кобальта. Даже если происходит короткий замыкание или завышение, это может избежать опасности сгорания и взрыва.
- В 1989 году А. Мантирам и Дж. Дюденау обнаружили, что положительный электрод с использованием полимеризованных анионов будет вызывать более высокое напряжение.
- В 1991 году Sony выпустила первую коммерческую литий-ионную батарею. Впоследствии литий-ионные батареи произвели революцию в появлении потребительской электроники.
- В 1996 году Padhi и Goodenough обнаружили, что фосфаты с оливиновыми структурами, такими как литий -фосфат (LIFEPO4), превосходят традиционные положительные электродные материалы и, следовательно, становятся текущими основными положительными электродными материалами.
Литий-ионные батареи (литий-ионные батареи разработаны из литийных батарей. Итак, прежде чем представить литий-ион, давайте сначала представим литийные батареи. Например, батареи кнопки принадлежат литиевым батареям. Положительным электродом материал лития является диоксид марганца или тионилхлорид, а отрицательным электродом является литий. После того, как батарея собирается, аккумулятор имеет напряжение и не нужно заряжаться. Этот тип батареи также может быть заряжен, но производительность цикла не очень хорошая. Во время цикла заряда и разгрузки дендриты лития легко сформируются, вызывая внутренние короткие цирки в аккумуляторе, поэтому при нормальных обстоятельствах этот тип батареи запрещается заряжать.
Позже, Sony Corporation of Japan изобрела литийную батарею с углеродным материалом в качестве отрицательных электродов и лития, содержащих соединения в качестве положительного электрода. Во время процесса заряда и разряда нет металлического лития, только литий -ионы. Это литий-ионная батарея.
В начале 1990-х годов компания Sony Energy Development Company of Japan и Moli Energy Company из Канады соответственно успешно разработала новый тип литий-ионной батареи, которая не только обладает хорошей производительностью, но и является экологически чистым. Благодаря быстрой разработке информационных технологий, портативных машин и электромобилей, спрос на высокоэффективные источники энергии резко возрос, а литийные батареи стали одним из самых быстрорастущих полей.
Структура и принцип литий-ионных батарей
(1) Основные компоненты литий-ионных батарей:
① Положительный электрод - Активные материалы в основном относятся к оксиду кобальта лития, оксиду литиевого марганца, литий -фосфатом, оксидом нитиев никеля, никелевым оксидом кобальта и т. Д. Коллектор проводящего тока обычно использует алюминиевую фольгу с толщиной 10-20 микронса;
② Диафрагма - специальная пластиковая пленка, которая позволяет проходить ионы лития, но является изолятором для электронов. В настоящее время есть в основном два типа: PE и PP и их комбинации. Существует также тип неорганической твердой диафрагмы, такой как алюминное диафрагмное покрытие, которое представляет собой неорганическую твердую диафрагму;
③ Отрицательный электрод - Активный материал в основном относится к графитовому, литийному титанату или углеродным материалам со структурой, аналогичной графиту. Коллекционер проводящего тока обычно использует медную фольгу с толщиной 7-15 микрон;
④ Электролит - Обычно органическая система, такая как карбонатные растворители, растворенные литиевым гексафторофосфатом, и некоторые полимерные батареи используют гелевые электролиты;
⑤ Оболочка аккумулятора - в основном разделена на твердую оболочку (стальная оболочка, алюминиевая оболочка, никелированная железная оболочка и т. Д.) И мягкий пакет (алюминиевая пластиковая пленка).
Когда аккумулятор заряжается, ионы лития деинтеркалитируются от положительного электрода и встроены в отрицательный электрод и наоборот во время разряда. Это требует, чтобы электрод находился в литиевом интеркалированном состоянии перед сборкой. Как правило, оксиды переходных металлов лития лития с потенциалом, превышающим 3V, по сравнению с литием и стабильным в воздухе, выбираются в качестве положительных электродов, таких как LICOO2, Linio2 и LIMN2O4.
В качестве отрицательного электрода выбираются литий-эмбеддирующие соединения с как можно ближе к потенциалу лития, такие как различные углеродные материалы, включая натуральный графит, синтетический графит, углеродное волокно, мезофазный сферулит и т. Д. И оксиды металлов, включая SNO, SNO2, оловянный состав SNBXPYZ (x {2}. y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x {{12} й)\/2) и т. Д.
Электролит принимает смешанную растворительную систему алкил-карбонатов, такую как этилен карбонат (ЕС), пропиленбонат (ПК) и диэтилонат-карбонат с низким содержанием (DEC) LIPF6.
Диафрагма принимает полиолефиновые микропористые мембраны, такие как PE, PP или их композитные мембраны, особенно трехслойную диафрагму PP\/PE\/PP, которая не только имеет низкую температуру плавления, но также имеет высокую пронзительную устойчивость, которая играет роль тепловой страховки.
Оболочка изготовлена из стали или алюминия, а узел крышки имеет функцию взрывоопасного отключения.
(2) Основной принцип работы
При зарядке аккумулятора ионы лития высвобождаются из литий-содержащего соединения в положительном электроде, а ионы лития перемещаются к отрицательному электроду через электролит. Углеродный материал в отрицательном электроде имеет многослойную структуру со многими микропорами. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, встроены в микропоры углеродного слоя. Чем больше литий -ионов встроены, тем выше зарядная способность.
При разгрузке батареи (то есть процесс использования батареи), ионы лития, встроенные в углеродный слой отрицательного электрода, высвобождаются и возвращаются обратно в положительный электрод. Чем больше литий -ионов, которые возвращаются к положительному электроду, тем выше разрядная емкость. То, что мы обычно называем батареей, относится к емкости разряда.
Во время процесса зарядки и разгрузки литий-ионных батарей ионы лития находятся в состоянии движения от положительного электрода → отрицательный электрод → положительный электрод. Это похоже на кресло -качалка, а два конца кресла -качалка являются двумя полюсами аккумулятора, а литий -ионы движутся взад -вперед на двух концах кресла -качалка. Следовательно, литий-ионные батареи также называются батареями качалка.
Механизм зарядки и сброса
- Процесс зарядки литий-ионных батарей делится на два этапа: стадию зарядки постоянного тока и стадию зарядки постоянного тока напряжения.
- Завышение и разгрузка литий-ионных аккумуляторов приведет к постоянному повреждению положительных и отрицательных электродов. Перевердывание приводит к обрушению карбонового листа отрицательного электрода, а коллапс предотвратит вставку литий -ионов во время зарядки; Завышение вызывает слишком много ионов лития, которые будут включены в углеродную структуру отрицательного электрода, что приводит к тому, что некоторые ионы лития больше не высвобождаются.
- Лучший метод зарядки и разрядки для литий-ионных батарей для поддержания производительности-это неглубокая зарядка и мелкое сброс. Как правило, 60% DOD в 2 до 4 раз превышает срок службы цикла в 100% условиях DOD.
Основные показатели производительности литий-ионных батарей
(1) емкость батареи
Емкость батареи может быть разделена на номинальную емкость и фактическую емкость. Номинальная емкость батареи относится к количеству электроэнергии, которое аккумулятор должна обеспечивать, когда она сбрасывается в напряжение за прекращение со скоростью 5 часов при температуре окружающей среды 20 градусов ± 5 градусов и представлен C5. Фактическая емкость аккумулятора относится к фактическому количеству электроэнергии, разряженной батареей в определенных условиях разряда, что в основном влияет скорость разряда и температура (поэтому строго говоря, емкость батареи должна указывать на условия зарядки и разгрузки).
Емкость: мах, ах (1ah =1000 mah).
(2) Внутреннее сопротивление аккумулятора
Внутреннее сопротивление батареи относится к сопротивлению, возникающему с помощью тока, протекающего через аккумулятор при работе батареи. Он состоит из двух частей: омического внутреннего сопротивления и поляризации внутреннего сопротивления. Внутреннее сопротивление большого батареи приведет к более низкому напряжению разряда и более короткому времени разряда. На размер внутреннего сопротивления в основном влияют такие факторы, как материал аккумулятора, процесс производства и структура батареи. Внутреннее сопротивление батареи является важным параметром для измерения производительности батареи.
(3) напряжение
Напряжение открытой цепи относится к разности потенциалов между положительными и отрицательными электродами батареи, когда батарея не работает, то есть, когда в цепи нет тока. Как правило, напряжение открытой цепи литий-ионной батареи составляет около 4. 1-4. 2V после его полностью заряженной, и около 3. 0 V после его разряда. Состояние заряда аккумулятора можно определить путем обнаружения напряжения открытой цепи аккумулятора.
Рабочное напряжение, также известное как напряжение клеммы, относится к разности потенциалов между положительными и отрицательными электродами батареи, когда батарея находится в рабочем состоянии, то есть, когда в цепи протекает ток. Когда аккумулятор находится в рабочем состоянии разряда, когда ток протекает через батарею, ей не нужно преодолевать сопротивление, вызванное внутренним сопротивлением батареи, поэтому рабочее напряжение всегда ниже напряжения открытой цепи, и противоположность верна при зарядке. Рабочее напряжение на разряде литий-ионных батарей составляет около 3,6 В.
(4) Время платформы разрядки
Время разрядки относится к времени разряда, когда батарея полностью заряжена до определенного напряжения. Например, измеряется время платформы разгрузки тройной батареи при 3,6 В. Напряжение заряжается до 4,2 В при постоянном напряжении, а ток зарядки меньше, чем 0. 02c, затем зарядка останавливается, то есть после того, как батарея полностью заряжается, а затем остается в течение 10 минут. Время разряда, когда он разряжается до 3,6 В при любом токе разряда, - это время выписки в этом токе.
Поскольку рабочее напряжение некоторых электрических приборов, использующих литий-ионные батареи, имеет требования к напряжению, если оно ниже требуемого значения, оно не будет работать. Следовательно, платформа для разряда является одним из важных критериев для измерения производительности батарей.
(5) Скорость заряда и сброса
Скорость заряда и разгрузки относится к текущему значению, необходимому батарею для разгрузки номинальной емкости в течение определенного времени. 1c численно равен номинальной емкостью батареи и обычно представлен буквой C. Например, если номинальная номинальная емкость батареи составляет 1 0 ah, то 10a - 1c (1 скорость), 5a - 0,5 ° C, 100a - 10 ° C, и так далее.
(6) Скорость самостоятельного разряда
Скорость саморазрядки, также известная как емкость за удержание заряда, относится к способности батареи сохранять количество электроэнергии, хранящейся в батарее при определенных условиях, когда аккумулятор находится в состоянии разыгрывающей цепи. В основном на него влияют такие факторы, как производственный процесс, материалы и условия хранения батареи. Это важный параметр для измерения производительности батареи.
(7) эффективность
Эффективность зарядки относится к меру степени, в которой электрическая энергия, потребляемая аккумулятором во время процесса зарядки, преобразуется в химическую энергию, которую батарея может хранить. В основном это затронут процесс батареи, формула и температура рабочей среды батареи. Как правило, чем выше температура окружающей среды, тем ниже эффективность зарядки.
Эффективность разряда относится к соотношению фактического количества электроэнергии, сброшенной к терминалу напряжения при определенных условиях разгрузки к номинальной емкости аккумулятора. В основном на него влияют такие факторы, как скорость разряда, температура окружающей среды и внутреннее сопротивление. Вообще говоря, чем выше скорость разряда, тем ниже эффективность разряда. Чем ниже температура, тем ниже эффективность разряда.
(8) велосипедная жизнь
Срок службы батареи относится к количеству заряда и времени разрядки, которое батарея подвергается определенному режиму заряда и разгрузки, когда емкость батареи падает до определенного указанного значения. ГБ для литий-ионных батарей предусматривает, что скорость удержания емкости аккумулятора после 500 циклов при 1C выше 60%.
Основные классификации литий-ионных батарей
① Согласно различным материалам электролитов, используемым в литиевых батареях, литиевые батареи можно разделить на две категории: жидкие литийные батареи (батареи литий -ионной батареи, называемые LIB) и полимерные литиевые батареи (полимерные литий -ионные батареи, называемые губой).
② Согласно методу зарядки, их можно разделить на две категории: нерезарные и перезаряжаемые.
③ Внешний вид литийной батареи: квадратная литиевая батарея (например, обычно используемые батареи мобильных телефонов) и цилиндрический (например, 18650, 18500);
④ Материалы упаковочной батареи лития: алюминиевая оболочка литийная батарея, стальная оболочка лития, мягкая батарея;
⑤ Литийная батарея из положительных и отрицательных электродных материалов (добавки): батарея лития кобальта (LICOO2), оксид лития марганца (LIMN2O4), литий -фосфатный аккумуля
