Литий-ионная батарея представляет собой вторичную батарею (аккумуляторную батарею), которая в основном опирается на движение ионов лития между положительным электродом и отрицательным электродом для работы. Во время процесса зарядки и разгрузки LI+ встроен и сброшен между двумя электродами: при зарядке LI+ отбрасывается из положительного электрода и встроен в отрицательный электрод через электролит, а отрицательный электрод находится в богатом литиевом состоянии; При разряде противоположность верна.
Часть 1: Введение в батареи
Литиевые батареи делятся на литиевые батареи и литий-ионные батареи. Мобильные телефоны и ноутбуки используют литий-ионные батареи, которые обычно известны как литийные батареи. Батареи обычно используют материалы, содержащие литиевые элементы в качестве электродов, и являются представителем современных высокопроизводительных батарей. Тем не менее, реальные литийные батареи редко используются в ежедневных электронных продуктах из -за их высокого риска.
Литий-ионные батареи были впервые разработаны Sony Corporation of Japan в 1990 году. Она встраивает ионы лития в углерод (нефтяной кокс и графит), чтобы сформировать отрицательный электрод (традиционные литиевые батареи используют литий или литий-сплав в качестве отрицательного электрода). LixCOO2 обычно используется в качестве положительного материала электрода, а также используются Lixnio2 и LixMno4. LIPF 6+ диэтилен карбонат (EC)+диметилболидат (DMC) используется в качестве электролита.
Нефтяная кока-кола и графит нетоксичны и обильны в ресурсах в качестве отрицательных электродных материалов. Литий -ионы встроены в углерод, который преодолевает высокую активность лития и решает проблемы безопасности традиционных литийных батарей. Положительный электрод LixCOO2 может достичь высокого уровня, а также производительность и срок службы, что снижает стоимость. Короче говоря, комплексная производительность литий-ионных батарей улучшается. Ожидается, что литий-ионные батареи будут занимать большой рынок в 21-м веке.
Часть 2: Различия батареи
Литий-ионные батареи легко путать со следующими двумя батареями
Литиевые батареи: используйте металлический литий в качестве отрицательного электрода.
Литий-ионные батареи: используйте не впадимые жидкие органические электролиты.
Литий-ионные полимерные батареи: используйте полимеры для гелевых жидких органических растворителей или непосредственно используют вселидные электролиты. Литий-ионные батареи обычно используют графитовые углеродные материалы в качестве отрицательных электродов.
Часть 3: основные типы
В соответствии с различными электролитными материалами, используемыми в литий-ионных батареях, литий-ионные батареи делятся на жидкие литий-ионные аккумуляторы (литий-ионная батарея, называемая литий-ионной батареи литий-ионной батареи (полимерная литий-ионная батарея, направляемая AS PLB).
3.1 Жидкие литий-ионные батареи
Перезаряжаемые литий-ионные батареи являются наиболее широко используемыми батареями в современных цифровых продуктах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Следовательно, на аккумуляторе существуют защитные компоненты или схемы защиты, чтобы предотвратить повреждение дорогих батарей. Требования к зарядке литий-ионной батареи очень высоки. Чтобы гарантировать, что точность напряжения завершения находится в пределах ± 1%, основные производители полупроводниковых устройств разработали различные литий-ионные зарядки аккумулятора для обеспечения безопасной, надежной и быстрой зарядки.
Основные мобильные телефоны оснащены литий-ионными батареями. Правильное использование литий-ионных батарей очень важно для продления срока службы батареи. Он может быть превращен в плоский прямоугольный, цилиндрический, прямоугольный и кнопку в зависимости от требований различных электронных продуктов, и есть аккумуляторы, состоящие из нескольких батарей, подключенных последовательно и параллельно. Номинальное напряжение литий-ионных аккумуляторов, как правило, 3,7 В из-за изменений материала, в то время как положительные электроды литий-железо фосфата составляют 3,2 В. Окончательное напряжение заряда при полном зарядке, как правило, 4,2 В, а фосфат лития железа составляет 3,65 В. Окончательное напряжение разряда литий-ионных батарей составляет от 2,75 в 3. Продолжение разряда ниже 2,5 В (2. 0 V для литий-фосфата) называется перегруппирующим, что повредит батарею.
Литий-ионные аккумуляторы с материалами типа оксида кобальта в качестве положительных электродов не подходят для разряда высокого тока. Чрезмерный разряд тока уменьшит время разряда (внутри будет генерироваться более высокая температура, а энергия будет потеряна) и может быть опасной; Но литиевые батареи с литиевым железопофосфатным материалами, положительными электродами, можно заряжать и разряжаться при высоком токе 20 ° С или даже больше (C - это емкость батареи, такую как C =800 MAH, 1C -частота зарядка означает ток зарядки составляет 800 мА), что особенно подходит для электромобилей. Следовательно, производитель аккумулятора дает максимальный ток разряда, который должен быть меньше, чем максимальный ток разгрузки во время использования.
Литий-ионные батареи имеют определенные требования к температуре. Фабрика дает диапазон температуры зарядки, диапазон температуры разряда и диапазон температуры хранения. Зарядка перенапряжения приведет к постоянному повреждению литий-ионных батарей. Ток зарядки литий-ионных батарей должен основываться на рекомендациях производителя аккумулятора, а для избежания перегрузки (перегрев) требуется ограничивающая цепь тока (перегрев).
Обычно используемая скорость зарядки составляет 0. 25c ~ 1C. При зарядке с большим током температура батареи часто обнаруживается, чтобы предотвратить перегрев от повреждения аккумулятора или вызывания взрыва.
Зарядка литий-ионной батареи делится на два этапа: сначала постоянная зарядка тока, а затем постоянная зарядка напряжения, когда он близок к напряжению завершения. Например, батарея с емкостью 800 мАч имеет напряжение зарядки зарядки 4,2 В. Батарея заряжается при постоянном токе 800 мА (скорость зарядки составляет 1C). В начале напряжение батареи увеличивается с большим наклоном. Когда напряжение батареи находится близко к 4,2 В, оно изменяется на постоянную зарядку напряжения 4,2 В, ток постепенно уменьшается, и напряжение не сильно меняется. Когда ток зарядки падает до 1\/10-50 C (значение настройки каждого завода отличается и не влияет на использование), он считается близок к полной, и зарядка может быть прекращена (некоторые зарядные устройства начинают таймер после 1\/10C и прекращают зарядку после определенного периода времени).
3.2 Конденсированная литий-ионная батарея
19 апреля 2023 года CATL выпустил конденсированную батарею с плотностью энергии до 500 часов\/кг, которая будет иметь массовую производственную мощность в течение 2023 года.
Часть 4: Принцип работы
Литий-ионные батареи используют углеродные материалы в качестве отрицательных электродов и литий-содержащих соединения в качестве положительных электродов. Там нет металлического лития, только литий -ионы. Это литий-ионная батарея. Литий-ионные батареи относятся к общему члену для батарей с встроенными литий-ионными соединениями в качестве положительных электродных материалов. Процесс зарядки и разгрузки литий-ионных батарей-это процесс литий-ионного встраивания и де-вручения. В процессе внедрения и де-вручения литий-ионов также сопровождаются внедрением и де-эмбендированием эквивалентных электронов в ионы лития (обычно используется встраивание или де-эмбединг для представления положительного электрода, а также внедрение или дезертирство для представления негативного электрода). В процессе зарядки и разгрузки ионы лития внедряют\/де-встроены и вставляются\/внедрены взад-вперед между положительными и отрицательными электродами, которые ярко называют «батареей качания стула».
Когда аккумулятор заряжается, ионы лития генерируются на положительном электроде батареи, а сгенерированные ионы лития перемещаются к отрицательному электроду через электролит. Углерод как отрицательный электрод имеет многослойную структуру и имеет много микропоров. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, встроены в микропоры углеродного слоя. Чем больше литий -ионов встроены, тем выше зарядная способность. Аналогичным образом, когда батарея разряжается (то есть процесс использования батареи), ионы лития, встроенные в углеродный слой отрицательного электрода, высвобождаются и перемещаются обратно к положительному электроду. Чем больше литий -ионов, которые возвращаются к положительному электроду, тем выше разрядная емкость.
Картина
Как правило, ток зарядки лития устанавливается между 0. 2c и 1c. Чем больше ток, тем быстрее зарядка и тем больше тепла батареи. Более того, если ток слишком большой, емкость не будет полна, потому что электрохимическая реакция внутри аккумулятора требует времени. Точно так же, как залить пиво, если вы налейте его слишком быстро, оно будет производить пену и не будет заполнено.
Часть 5: Компоненты
Стальная оболочка\/алюминиевая оболочка\/цилиндрическая\/мягкая упаковка
Положительный электрод: активным материалом, как правило, представляет собой литий -оксид марганца или оксид кобальта лития, материал оксида никелевого кобальта, а электрические велосипеды обычно используют оксид никелевого кобальта (обычно известный как трэндский) или тройное + небольшое количество оксида литий -марганца. Чистый литий -оксид марганца и литий -фосфат постепенно исчезают из -за больших размеров, плохой производительности или высокой стоимости. Коллекционер проводящего тока использует электролитическую алюминиевую фольгу с толщиной микрон {1}}.
Диафрагма: специально образованная полимерная пленка с микропористой структурой, которая позволяет ионам лития свободно проходить, но электроны не могут проходить.
Отрицательный электрод: активный материал представляет собой графит, или углерод с графитом, похожей на структуру, а коллектор проводящего тока использует электролитическую медную фольгу с толщиной микрон {1}}.
Электролит: карбонатные растворители, которые растворяют литий -гексафторофосфат, в то время как полимеры используют гелевые электролиты.
Оболочка аккумулятора: разделена на стальную оболочку (редко используется в квадратных батареях), алюминиевая оболочка, никелированная железная оболочка (используемая в цилиндрических батареях), алюминиевая пластическая пленка (мягкая упаковка) и т. Д., А также крышка батареи, которая также является положительным и отрицательным терминалом батареи.
Часть 6: состав батареи
Как и все химические батареи, литий-ионные аккумуляторы также состоят из трех частей: положительный электрод, отрицательный электрод и электролит. Электродные материалы представляют собой ионы лития, которые могут быть встроены (вставлены)\/де-врученные (De-Inserted).
6.1 положительные электродные материалы
1) Положительные электродные материалы
Существует много дополнительных положительных электродных материалов, и основные продукты в основном используют литий -фосфат. Сравнение различных положительных электродных материалов:
| Катодный материал | Среднее выходное напряжение | Плотность энергии |
| LiCOO2 | 3.7 V | 140 мАч\/г |
| Li2mno3 | 3.7 V | 100 мАч\/г |
| LifePo4 | 3.2 V | 130 мАч\/г |
| Li2fepo4f | 3.6 V | 115 мАч\/г |
2) Положительная реакция электрода
Литий -ионы вставляются во время разряда и деинтеркалируются во время заряда.
При зарядке: lifePo4 → li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
При разряде: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → lifePo4
6.2 Отрицательные электродные материалы
1) Отрицательные электродные материалы
Графит в основном используется. Новое исследование показало, что титанаты могут быть лучшим материалом. Отрицательная реакция электрода: ионы лития вставляются во время заряда и деинтеркалируются во время разряда.
При зарядке: xli ++ xe -+ 6 c → lixc6
При разряде: lixc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Обычно делятся на следующие категории:
Углеродные электродные материалы: отрицательные электродные материалы, фактически используемые в литий-ионных батареях, представляют собой углеродные материалы, такие как искусственный графит, натуральный графит, мезофазный углеродные микробурки, нефтяная кока-кола, углеродное волокно, пиролитическое обомочное углерод и т. Д.
Материалы отрицательных электродов на основе олова: материалы отрицательных электродов на основе олова можно разделить на два типа: композитный оксид оксида и оксид и олово. Оксид относится к оксидам различных валентных состояний металлического олова. Там нет коммерческих продуктов.
Литий-содержащий переходной металл Нитрид Негативные электроды материалы: нет коммерческих продуктов.
Сплав с негативным электродом: включая сплавы на основе олова, сплавы на основе кремния, сплавы на основе германия, сплавы на основе алюминия, сплавы на основе сурьмы, сплавы на основе магния и другие сплавы, без коммерческих продуктов.
Наномасштабные отрицательные электродные материалы: нано углеродные трубки, нано-сплавные материалы.
Нано -материалы представляют собой материалы для оксида нано: в соответствии с последними тенденциями развития рынка новой энергетической промышленности лития в 2009 году, многие компании начали использовать нано -оксид титана и нано -кремниевый оксид, чтобы добавить к традиционному графитово -оксиду и нано углеродным трубам, значительно улучшив зарядные и зарядивные и временные батарейки лития лития.
6.3 Электролит
Раствор: часто используются соли лития, такие как литий -перхлорат (LICLO4), гексафторофосфат лития, литий -литий -тетрафтороборат (LIBF4).
Растворитель: Поскольку рабочее напряжение аккумулятора намного выше, чем напряжение разложения воды, органические растворители часто используются в литий-ионных батареях, таких как эфир, этилен карбонат, пропиленовый карбонат, диэтилобоканат и т. Д. Органические растворители часто разрушают структуру графита во время заряда, вызывая его в Peel Off и образует твердый электроль (Sei-Sei-Seeplation, в рамках его, с помощью SELESTITITION, в SEI-в сети. Органические растворители также вызывают проблемы безопасности, такие как воспламеняемость и взрыв.
6.4 Проводящее покрытие
Алюминиевая фольга с углеродом для батарей (проводящее покрытие)
Преимущества алюминиевой фольги, покрытой углеродом, в литий-ионных аккумуляторах.
Ингибировать поляризацию батареи, уменьшить тепловые эффекты и повысить производительность скорости;
Уменьшить внутреннее сопротивление батареи и значительно снизить динамическое увеличение внутреннего сопротивления во время процесса цикла;
Высокая консистенция, увеличение срока службы батареи;
Высокая адгезия между активными веществами и текущими коллекционерами, снижая производственную стоимость полюсов;
Защитить текущий коллектор от коррозии электролитом;
Улучшить характеристики обработки литиевых железных фосфатов и лития титаната.
Использование функциональных покрытий для обработки поверхности аккумуляторной подложки является прорывным технологическим инновацией. Углеродная алюминиевая фольга\/медная фольга-равномерно и мелко покрыть дисперсные нанопроводящие графитовые и углеродные частицы на алюминиевой фольге\/медной фольге. Он может обеспечить превосходную статическую проводимость и собирать микротокупение активного материала, тем самым значительно снижая сопротивление контакта между положительным\/отрицательным материалом электрода и коллекционером и может улучшить адгезию между ними, что может уменьшить количество используемого связующего, тем самым значительно улучшив общую производительность батареи. Покрытие разделено на два типа: на водной основе (водная система) и на масляной основе (органическая система растворителей).
Часть 7: Преимущества и недостатки
7.1 Преимущества
Высокое напряжение: рабочее напряжение одной ячейки достигает 3.
Большая конкретная энергия: фактическая конкретная энергия, которая может быть достигнута, составляет около 555WH\/кг, то есть материал может достигать определенной способности более 150 мАч\/г (3-4, когда NI-CD, {4}}, раз, что у Ni-MH), что примерно 88% от ее теоретической стоимости.
Длинный велосипедный срок службы: как правило, он может достигать более 500 раз, или даже более 1000 раз, а литий -фосфат может достигать 8000 раз. Для электрических приборов с небольшим разрядом тока срок службы батареи удвоит конкурентоспособность прибора.
Хорошая производительность безопасности: нет загрязнения, нет эффекта памяти. Как предшественник литий-лития, литийные батареи уменьшили свои области применения, потому что металлический литий легко сформировать дендриты и короткое замыкание: литий-ион не содержит кадмия, свинца, ртути и других элементов, которые загрязняют окружающую среду; Основным недостатком батарей NI-CD в некоторых процессах (таких как спекание) является «эффект памяти», который серьезно ограничивает использование батарей, но Li-Ion не имеет этой проблемы вообще.
Низкий саморазмер: скорость самоуправления полностью заряженных литий-ионных батарей, хранящихся при комнатной температуре в течение одного месяца, составляет около 2%, что намного ниже, чем 25-30% от Ni-CD и 30-35% от Ni-MH.
Быстрая зарядка: емкость 1C зарядки в течение 30 минут может достигать более 80% номинальной мощности, а аккумулятор железа может быть заряжена до 90% номинальной мощности за 10 минут.
Рабочая температура: рабочая температура составляет -25 ~ 45 градусов. С улучшением электролита и положительного электрода ожидается, что он будет расширен до -40 ~ 70 градусов.
7.2 Недостатки
Старение: в отличие от других перезаряжаемых батарей, емкость литий-ионных аккумуляторов будет медленно снижаться, что связано с количеством используемых раз и температурой. Это явление снижения может быть выражено снижением емкости или увеличением внутреннего сопротивления. Поскольку это связано с температурой, это, скорее всего, будет отражаться в электронных продуктах с высоким рабочим током. Замена графита литием титаната, кажется, продлевает жизнь. Взаимосвязь между температурой хранения и скоростью постоянной потери мощности:
