Bateri litium ion atau bateri asid plumbum
Contents in this article

Bagaimana bateri ion litium berfungsi

Persepsi dalam domain awam ialah bateri asid plumbum adalah teknologi lama. Bateri litium ion mempunyai persepsi yang berbeza, ia moden, lebih bersih, ia mempunyai 3 atau 4 kali ketumpatan tenaga dan hayat kitaran yang lebih lama. Dengan semua ini, apakah kelebihan yang mungkin boleh dibawa oleh teknologi asid plumbum berusia 150 tahun ke meja? Sebenarnya, semuanya tidak seperti yang kelihatan, lihat di belakang tajuk berita pada data yang digunakan dalam tuntutan pemasaran, kemudian gunakan sedikit akal, penyelidikan asas dan beberapa sains asas. Anda akan mendapati bahawa cerita sebenar agak berbeza.

Kesalahpahaman pertama berkenaan dengan ketumpatan tenaga isipadu dan khusus. Nilai tajuk 4 hingga 5 kali hanya berkaitan dengan ketumpatan tenaga khusus dan bilangan terhad kimia bateri ion litium, beberapa daripadanya masih tidak digunakan secara komersial. Rajah. 2 membandingkan beberapa katod untuk sel bateri ion litium ini berjulat daripada sekitar 100Wh/kg untuk kimia Li-FePO4 paling selamat kepada lebih 200Wh/kg untuk varian nikel-kobalt-aluminium oksida. Gambar rajah bateri asid plumbum diberikan di bawah:

Figure-2-Energy-densities-of-various-battery-chemistries-at-cell-level.jpg
Rajah 2 Ketumpatan tenaga pelbagai kimia bateri pada peringkat sel
Figure-3-Comparison-of-Li-ion-and-Lead-acid-at-cell-and-system-level.jpg
Rajah 3 Perbandingan bateri Litium ion dan bateri asid Plumbum pada tahap sel dan sistem

Nilai ini hanya digunakan pada tahap sel tunggal, bukan keadaan pek atau dalam perkhidmatan. Rajah. 3 menunjukkan ketumpatan tenaga bagi kimia bateri yang berbeza pada tahap sel dan sistem. Ketumpatan tenaga sel bateri ion litium secara praktikal dibelah dua apabila dipasang sepenuhnya dengan semua sambungan, penyejukan, keselamatan dan peralatan pengurusan bateri.

Kelebihan tahap sel 3 hingga 5 kali ketumpatan tenaga tertentu dikurangkan kepada 2 hingga 3 kali. Bergantung pada kimia katod litium, kita hampir boleh melihat pariti antara bateri ion litium dan ketumpatan tenaga bateri asid plumbum untuk sistem bateri yang dipasang sepenuhnya dalam beberapa aplikasi.
Faktor lain, iaitu kehidupan kitaran, juga merupakan punca kekeliruan. Berapa banyak kitaran yang boleh dilakukan oleh bateri ion litium sebelum kapasiti menurun di bawah 80% daripada penarafan papan namanya? Dua, tiga ribu? Jadual 1 memberikan ringkasan bahan katod Li-ion yang berbeza untuk prestasi dan hayat kitaran.

Kelebihan kimia bateri asid plumbum

Bateri adalah peranti pelik. Tiada siapa yang mahukannya, tetapi semua orang memerlukannya. Mereka hanya dibeli apabila diperlukan. Berapa ramai orang merancang perjalanan ke pusat membeli-belah tempatan untuk membeli-belah untuk bateri? Mereka adalah pembelian dendam dan hanya dibeli apabila benar-benar perlu. Seorang jurujual yang baik boleh menjual kepada anda dua pasang kasut, dua kereta dan mungkin dua rumah jika anda mempunyai wang, tetapi dia tidak boleh menjual dua bateri kereta SLI kepada anda. Apabila anda membeli bateri sama ada bateri solar untuk panel solar, basikal elektrik atau sistem sandaran bateri UPS dan penyongsang atau bateri daya tarikan untuk forklift , tidakkah anda berharap anda mengetahui lebih lanjut mengenainya?

Bagaimanakah bateri asid plumbum berfungsi, apakah perbezaan antara jenis dan model, dan bagaimana pula dengan kimia yang berbeza? Mereka boleh mahal. Dalam aplikasi komersial atau domestik apakah bayaran balik, berapakah hayat dan kos penggantian bateri asid plumbum? Saiz yang anda perlukan, ruang yang ada, kecekapan tenaga bateri asid plumbum dan masa cas semula? Dan kemudian, terdapat kos tersembunyi keselamatan, pelupusan dan jejak karbon. Artikel ini membandingkan bateri asid plumbum dengan bateri ion litium dan menangani banyak salah tanggapan yang berkaitan dengan kedua-dua kimia ini.

Bateri litium ion mana yang terbaik

Bahan katod Nama pendek Voltan nominal Tenaga khusus Wh/kg (sel) Kitaran hidup Komen
Litium Kobalt Oksida
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Peranti mudah alih - pelarian haba apabila dicas berlebihan
Litium Mangan Oksida (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Alat kuasa, peranti perubatan - lebih selamat daripada LCO
Litium Nikel Mangan Kobalt Oksida (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-basikal, EV, industri - hayat kitaran tinggi
Litium Besi Fosfat (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - paling selamat dari semua bahan kimia bateri lithium ion
Litium Nikel Kobalt Aluminium Oksida (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industri, rangkaian kuasa EV (Tesla) TR pada 150C, CL 500
Litium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - sangat selamat

Seperti yang dapat dilihat, semuanya berada dalam julat kitaran 800 hingga 2000. Sebagai perbandingan, bateri asid plumbum yang direka dengan baik boleh mencapai lebih daripada 1600 kitaran hingga 80% DOD dengan mudah. Jadi bagaimana ini semua ditambah apabila mempertimbangkan kos pemilikan? Ini membawa kita ke titik seterusnya iaitu harga bateri asid plumbum. Berapakah kos bateri litium-ion berbanding bateri asid plumbum? Kos kilang pembuatan bateri litium-ion? Sememangnya, bateri litium ion lebih mahal tetapi lebih banyak lagi. Sekali lagi, ini bergantung pada tahap yang sedang dipertimbangkan. Siaran akhbar akan memberitahu kami bahawa harga Li-ion sedang jatuh dan kini berada dalam julat 2-3 kali ganda daripada asid plumbum.

Betul ke? Harga purata pada carian internet UK baru-baru ini untuk mendapatkan harga pada bateri santai 12V dan 100 Ah yang tersedia secara komersial untuk kedua-dua bateri lithium ion dan bateri asid plumbum:
bateri lithium ion $960 atau $800/kwj
Bateri asid plumbum $215 atau $180/kwj
Jelas sekali, hayat bateri ion litium mestilah 4 kali ganda daripada setara bateri asid plumbum untuk mendapatkan nilai yang sama. Seperti yang kita lihat, ini tidak berlaku.

Figure-5-Schematic-of-cradle-to-gate-principle-for-battery-manufacturing.jpg
Rajah 5 Skema prinsip buaian ke pintu untuk pembuatan bateri
Figure-6-Cradle-to-Gate-CO2-emissions-for-different-battery-chemistries.jpg
Rajah 6 Pelepasan CO2 Cradle to Gate untuk kimia bateri yang berbeza

Dalam semua kes, pembinaan bateri asid plumbum adalah yang paling menjimatkan kos walaupun bateri asid plumbum yang lebih besar dipasang untuk memberikan penerimaan cas yang lebih baik dan hayat kitaran yang lebih lama. Dalam contoh ini, aplikasi itu ialah menara telekomunikasi di India. Prinsip yang sama berlaku dalam kebanyakan aplikasi dan geografi, lebih-lebih lagi dalam iklim yang lebih sejuk. Salah tanggapan yang lain ialah Li-ion adalah teknologi yang lebih bersih dan kurang mencemarkan daripada asid plumbum. Buaian ke pelepasan pintu untuk kimia bateri yang berbeza diberikan dalam Rajah. 5 dan 6.

Angka ini menunjukkan sempadan operasi untuk pembuatan bateri. Dari pengekstrakan dan pengangkutan bahan mentah terus melalui semua langkah pemprosesan ke titik di mana bateri sedia untuk dihantar.

Jadual 2 ialah situasi kehidupan sebenar yang membandingkan ekonomi penggunaan bateri ion litium dan bateri asid plumbum yang berfungsi sepanjang tempoh hayat yang berbeza.

Item kos Kos perjalanan harian adalah USD Kos perjalanan harian adalah USD
3 tahun Bateri Asid Plumbum Bateri litium ion
Pelunasan 8.30 16.90
Diesel (dihantar) 15.50 15.50
Penyelenggaraan 2.46 2.46
Elektrik 1.47 1.47
Pengecasan Bateri 0.65 0.50
Jumlah hari/bulan 28.38/851 36.83/1105
6 Tahun
Pelunasan 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Penyelenggaraan 2.46 2.46
Elektrik 1.47 1.47
Pengecasan Bateri 0.54 0.50
Jumlah hari/bulan 25.83/775 28.39/852

Data dari Argonne National Laboratories ini, menunjukkan bahawa jumlah proses pembuatan termasuk pengekstrakan dan pengangkutan bahan mentah untuk bateri lithium ion adalah lebih daripada 4 kali ganda nilai asid plumbum. Mengenai pengekstrakan bahan, bekalan bahan katod asas seperti kobalt dan mangan dan litium tidak pasti sepenuhnya. Proses pengekstrakan dan pemulihan wujud tetapi bilangan lombong dan tapak pembuatan mungkin mengehadkan bekalan jika permintaan meningkat dengan ketara. Peta geo-politik juga meramalkan ketidakpastian untuk beberapa sumber bahan ini.

Adakah bateri litium ion boleh dikitar semula

Kebolehkitar semula dan keselamatan bahan kimia ini adalah faktor penting. Adalah diketahui bahawa hampir semua komponen dalam bateri asid plumbum adalah 100% dikitar semula manakala tiada proses komersial untuk mengitar semula bateri lithium ion. Keadaan ini boleh difahami apabila anda menganggap bahawa komponen Li, Co, Mn dan lain-lain yang lebih mahal hanyalah sebahagian kecil daripada jumlah bateri ion litium. Sebagai contoh, Litium adalah sekitar 4% daripada jumlah berat sel. Tambah pada fakta ini bahawa Litium sangat reaktif (asas kepadatan tenaga yang tinggi), yang boleh difahami menjadikannya mahal untuk diekstrak daripada sisa.

Faktor tambahan kerumitan dengan banyak bahan berbeza dalam pembinaannya menjadikan kitar semula sukar, dari segi teknikal dan ekonomi. Keputusan? Tiada insentif komersial untuk mengitar semula bateri ini. Atas sebab ini, kemudahan kitar semula masih di peringkat perintis dan kebanyakannya dibiayai oleh kerajaan.
Pada masa ini, sebahagian besar bateri litium ion yang telah dilupuskan disimpan dalam simpanan menunggu sama ada kejayaan teknologi atau perundangan untuk memaksa kitar semula mereka. Jika yang terakhir ini dilaksanakan maka akan ada kos, akhirnya kepada penggunaan. Ini akan meningkatkan lagi harga sel Li-ion berbanding dengan jenis bateri asid plumbum.

Bolehkah bateri lithium ion meletup

Akhirnya, kita mempunyai keselamatan. Tiada aplikasi bateri asid plumbum sepanjang pengetahuan kami pernah mendapat panggilan semula keselamatan seperti yang kami tahu adalah kes bateri Li-ion dalam peranti elektronik mudah alih dan juga kenderaan elektrik. Rajah. 7 menunjukkan apa yang berlaku kepada Volvo hibrid baharu di UK hanya beberapa minggu yang lalu, pada masa menulis artikel ini. Dalam kes ini, bateri litium ionnya terbakar apabila dicas.

Bateri litium-ion terbakar

Rajah 7 Kebakaran disebabkan oleh bateri Li-ion dalam kenderaan elektrik hibrid Volvo: Kediaman April 2018-UK

Figure-7-Fire-caused-by-a-Li-ion-battery-in-a-Volvo-hybrid-electric-vehicle-April-2018-UK-residence.jpg
Kebakaran kereta Volvo yang terbakar disebabkan oleh bateri litium
Firemen-dousing-the-fire-caused-by-a-lithium-battery.jpg

Video ini menunjukkan kebakaran terbaru yang disebabkan oleh bateri litium. Mungkin disebabkan ketidakseimbangan dalam sel dan BMS yang tidak betul.

Walaupun apabila disimpan atau diangkut bateri litium ion telah menjadi punca kebakaran yang sangat berbahaya. Walaupun kejadian ini jarang berlaku, ia perlu diakui dan peralatan keselamatan yang sesuai serta perisian pengurusan bateri perlu dipasang. Jabatan bomba New York misalnya masih dalam proses memutuskan cara menangani kebakaran bateri lithium ion. Ini amat mencadangkan bahawa langkah keselamatan sedia ada untuk bateri ion litium di seluruh dunia perlu dikaji semula.

Berikut adalah pandangan dari Jabatan Bomba New York:

Petikan artikel berita: Pemacu utiliti AWS 15 Nov. 2016 “Kebakaran bukanlah masalah terbesar,” kata Rogers. Anggota bomba dilatih untuk menangani kebakaran, tetapi mereka perlu tahu apa yang mereka hadapi. Bateri li-ion boleh membebaskan asid toksik dan wap mudah terbakar. Sebahagian daripada wap tersebut dimakan oleh api, tetapi jika tidak, ia boleh menyala atau menjadi masalah kepada anggota bomba. Masalah terbesar ialah apa yang berlaku “post-op,” iaitu selepas api dipadamkan. Walaupun bateri dimatikan ia boleh menyala semula sehingga 72 jam, kata Rogers. -Lt. Jabatan Bomba Paul Rogers bahagian operasi bahan berbahaya New York”

Bateri litium ion atau bateri asid plumbum?

Bateri litium ion pastinya mempunyai ciri prestasi yang lebih baik daripada asid plumbum. Walau bagaimanapun, kelebihan ini dikurangkan dengan teruk oleh perkakasan tambahan yang berkaitan dengan keperluan keselamatan dan pengurusan. Hasil bersihnya ialah bateri asid plumbum mempunyai kelebihan yang berbeza, terutamanya apabila mempertimbangkan aplikasi yang tidak dihadkan oleh berat atau penerimaan caj. Kos permulaan kos kilang pembuatan bateri asid plumbum yang lebih rendah; harga pembelian yang rendah dan kos pelunasan rendah asid plumbum digabungkan dengan kesan alam sekitar yang rendah dan keselamatan yang wujud, memberikan kelebihan berikut:

  • Harga belian lebih rendah. Harganya adalah sekitar satu perempat daripada setara Li-ion. Kos operasi yang lebih rendah untuk memberikan jumlah kos pemilikan yang lebih rendah dalam kebanyakan aplikasi.
  • Kebolehkitar semula. Hampir 100% daripada semua bahan bateri asid plumbum dikitar semula. Nilai sekerap boleh memberikan hasil tambahan sehingga 20% daripada kos bahan bateri. Bateri litium tidak mempunyai infrastruktur atau proses komersial untuk kitar semula
  • Keselamatan. Kimia asid plumbum sememangnya lebih selamat daripada bateri ion litium
  • Kelestarian. Terdapat banyak sumber bekalan asid plumbum yang mantap, terutamanya daripada kemudahan kitar semula. Litium dan bahan katod lain mungkin dibekalkan dari kawasan sensitif politik. Kedua-dua pengekstrakan bahan global semasa dan keupayaan pembuatan tidak akan menyokong peningkatan pesat dalam pengeluaran bateri ion Litium.
  • Jejak karbon. Pembuatan bateri asid plumbum mempunyai buaian untuk mengawal jejak karbon satu pertiga daripada bateri ion litium.

Gambar yang berbeza dengan yang dilukis oleh syarikat bateri ion litium. Walaupun tidak boleh dipertikaikan bahawa asid plumbum mempunyai kelemahan dalam ketumpatan tenaga, hakikatnya bateri asid plumbum masih merupakan teknologi bateri yang sangat selamat, berdaya saing dan pilihan terbaik dalam banyak aplikasi.

Apakah bateri ion litium

Bahan Katod dan Anod: Walaupun sel nikel-logam hidrida (Ni-MH) digemari pada mulanya pada tahun 1990-an, produk bateri boleh dicas semula ion litium komersial pertama di dunia telah dikeluarkan pada tahun 1991 oleh Sony Corporation. Selain kandungan tenaga yang tinggi, kedua-duanya mengikut jisim dan isipadu, bateri ini juga menawarkan ciri suhu rendah yang sangat baik, ciri beban dan ciri kitaran. Akibatnya, ia cepat menguasai pasaran dan menjadi sumber kuasa yang sangat diperlukan untuk peralatan audio dan video, komputer peribadi, telefon mudah alih dan peralatan mudah alih yang lain.

Teknologi bateri termaju hari ini bermula dengan penemuan kekonduksian ionik yang tinggi bagi fasa pepejal NaAl 11 O 17 , dipanggil natrium β-alumina, oleh Kummer dan rakan sekerja di makmal Ford Motor Co. [1. Olof Ramsrtomström, pada hadiah Nobel Kimia, Latar Belakang Saintifik mengenai Hadiah Nobel dalam Kimia 2019; 2. YFY Yao dan JT Kummer, J. Inorg. Nucl. Kimia. 29, 2453 (1967)].

Ini membawa kepada kesedaran bahawa pengangkutan ionik dalam pepejal sebenarnya boleh menjadi sangat pantas, dan ia mungkin membawa kepada pelbagai teknologi baharu. Tidak lama selepas itu, penyelidik di Ford menunjukkan bahawa seseorang boleh menggunakan elektrolit pepejal berkelir tinggi untuk menghasilkan jenis bateri yang baharu sepenuhnya, menggunakan natrium cair pada elektrod negatif dan larutan lebur natrium dalam sulfur sebagai elektrod positif, dengan pengalir natrium. elektrolit pepejal di antara [N. Weber dan JT Kummer, Proc. Perpaduan Sumber Kuasa Tahunan 21, 37 (1967) ].

Seperti yang dijangkakan, pertimbangan segera diberikan kepada kemungkinan sistem litium analog, kerana ia telah diiktiraf bahawa sel litium yang setara sebaliknya harus menghasilkan voltan yang lebih tinggi daripada sel natrium. Di samping itu, litium mempunyai berat yang lebih rendah daripada natrium, kelebihan lain.

Litium unsur tidak boleh digunakan, kerana takat leburnya yang rendah. Sebaliknya, aloi litium pepejal, terutamanya sistem Li/Si dan Li/Al, telah disiasat [ RA Huggins, J. Sumber Kuasa 81–82, 13 (1999)].

Sebilangan bahan telah disiasat sebagai bahan tindak balas elektrod positif pada masa itu, dengan kebanyakan perhatian diberikan kepada penggunaan sama ada FeS atau FeS 2 . Selepas tindak balas dengan litium, bahan-bahan ini mengalami tindak balas penyusunan semula , dengan kehilangan fasa awal dan pembentukan yang baru [DR Vissers, Z. Tomczuk dan RK Steunenberg, J. Electrochem. Soc. 121, 665 (1974)].

Bilakah bateri litium ion dicipta?

Prof. Whittingham meneroka interkalasi elektrokimia dalam bahan tersebut dan pada tahun 1973 mencadangkan bahan tersebut sebagai elektrod dalam bateri. Kerja ini menghasilkan bateri yang boleh dicas semula pada tahun 1976 . Sel yang berjaya terdiri daripada logam litium sebagai anod dan titanium sulfida (TiS 2 ) sebagai katod, dengan litium heksafluorofosfat ( LiPF 6 ) sebagai elektrolit dalam propilena karbonat (PC) sebagai pelarut. Kajian yang menjanjikan ini memberi inspirasi kepada Whittingham untuk meneroka interkalasi elektrokimia dalam bahan seperti elektrod dalam bateri. Bateri yang berfungsi dan boleh dicas semula kemudiannya ditunjukkan pada tahun 1976

[(a) Whittingham, MS Electrointerkalation dalam Disulfida Logam Peralihan. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1974, 328–329.] (dengan Syarikat Penyelidikan dan Kejuruteraan Exxon).
(b)Whittingham, MS Batterie à Base de Chalcogénures. Paten Belgium no. 819672, 1975.
(c)Whittingham, MS Penyimpanan Tenaga Elektrik dan Kimia Interkalasi. Sains 1976, 192 (4244), 1126–1127.

Tetapi kejayaan itu tidak lama. Semasa berbasikal berulang, litium logam membentuk dendrit pada permukaan logam semasa berbasikal, mengakibatkan litar pintas.
Masalah ini memberi dorongan kepada carian baharu untuk penyelesaian alternatif dan sel konfigurasi “sel pemindahan ion” (juga dipanggil “kerusi goyang”), di mana kedua-dua elektrod boleh menampung ion telah dicadangkan.
Jika bahan elektrod positif pada mulanya mengandungi litium dan sebahagian atau semua litium dikeluarkan semasa pengecasan pertama, sel akan mengembangkan potensi. Oleh itu, adalah mungkin untuk mempunyai bahan elektrod positif yang bertindak balas dengan litium pada potensi di atas kira-kira 3V, jika ia sudah mengandungi litium, dan litium ini boleh diekstrak secara elektrokimia.

Siapakah yang mencipta bateri ion litium?

Pendekatan ini, yang melibatkan penggunaan bahan di mana litium sudah ada, pertama kali ditunjukkan oleh Prof. Goodenough. Contoh pertama bahan yang pada mulanya mengandungi litium, dan secara elektrokimia memadam litium daripadanya, adalah kerja pada Li1−xCoO2 pada tahun 1980.
[K. Mizushima, PC Jones, PJ Wiseman dan JB Goodenough, Mater. Res. lembu jantan. 15, 783 (1980)] dan Li1−xNiO2
[JB Goodenough, K. Mizushima dan T. Takada, Jpn. J. Appl. Fizik. 19 (Suppl. 19-3), 305 (1980)]

Selari dengan pembangunan anod, bahan katod yang lebih baik juga dicari untuk memperoleh emf sel yang lebih tinggi dalam kombinasi dengan anod yang berpotensi lebih tinggi daripada litium logam. Satu kejayaan datang pada 1979/1980 apabila John B. Goodenough dan rakan sekerjanya di Oxford
Universiti, UK, mendapati bahawa LixCoO2, satu lagi kalkogenida logam terinterkalasi jenis MX2, boleh berfungsi sebagai bahan katod.
[Goodenough, JB; Mizushima, K. Konduktor Ion Pantas. paten AS no. 4,357,215, 1982].
[Mizushima, K.; Jones, PC; Wiseman, PJ; Goodenough, JB LixCoO2 (0
Bahan Katod untuk Bateri Ketumpatan Tenaga Tinggi. Mater. Res. lembu jantan. 1980, 15 (6), 783–789].

Struktur bahan itu serupa dengan Lix TiS2 dengan jurang van der Waals antara kobalt dioksida (CoO2 ) lapisan di mana ion litium boleh diikat tanpa banyak pengembangan kekisi. Goodenough memberi alasan bahawa apabila X dalam MX2 ialah unsur elektronegatif yang kecil, proses pengambilan kation yang terhasil akan dikaitkan dengan perubahan tenaga bebas negatif yang besar dan voltan sel tinggi (ΔG = -nFE). Dengan oksigen X, keadaan itu dianggap sangat menjanjikan, juga memandangkan ion litium dicadangkan untuk mudah alih yang mencukupi dalam susunan oksigen padat.

Alasannya terbukti betul, dan bahan CoO2 menunjukkan potensi yang sangat tinggi iaitu ~4 hingga 5 V berbanding Li+/Li. Kajian elektrokimia telah dijalankan dalam kes ini dengan elektrolit yang terdiri daripada litium tetrafluoroborat (LiBF4) dalam propilena karbonat.
Penemuan ini membolehkan penggunaan bahan anod dengan potensi yang lebih tinggi daripada logam litium, meneruskan pencarian bahan karbon yang sesuai. Memandangkan kesukaran untuk menyelesaikan masalah interkalasi elektrokimia grafit, pilihan lain telah disiasat sebaliknya.

Di manakah bateri ion litium dicipta?

Kejayaan berlaku pada tahun 1985 apabila kumpulan Jepun yang diketuai oleh Akira Yoshino (daripada Asahi Kasei Corporation) menemui gentian karbon tumbuh fasa wap (VGCF) dan kemudiannya kok petroleum dirawat haba. Bahan yang terakhir diketahui mengandungi campuran domain kristal (grafik) dan bukan kristal, dan penyelidik dapat mengenal pasti kualiti yang stabil, namun berprestasi tinggi, dengan darjah kehabluran tertentu.

[Akira Yoshino, Kelahiran Bateri Li-Ion, Karangan Angewandte, Angew., Chem. Int. Ed., 2012 , 51, 5798-5800]

Dengan bahan anod yang berkesan ini, Yoshino membangunkan bateri litium-ion yang cekap dan berfungsi berdasarkan konfigurasi sel pemindahan ion. Oleh itu, bahan karbon yang dikenal pasti digunakan sebagai anod dan bahan LixCoO2 Goodenough (biasanya mengandungi sejumlah kecil timah) digunakan sebagai katod. Lapisan pemisah yang terdiri daripada polietilena atau polipropilena digunakan dan elektrolit terdiri daripada litium perklorat (LiClO4) dalam propilena karbonat (PC).
Yoshino juga membuktikan keselamatan bateri ini pada tahun 1986 dengan menurunkan berat pada bateri. Tiada kebakaran atau letupan berlaku manakala bateri menggunakan anod logam litium bertindak balas dengan kuat.

Figure-xx-Yoshinos-first-safety-tests-with-his-Li-ion-battery-in-1986.jpg

Rajah 8. Ujian keselamatan pertama Yoshino dengan bateri Li-ionnya pada tahun 1986.
A) Saat ketulan besi terlanggar bateri
B) Prototaip bateri Li-ion selepas perlanggaran
C) Bateri anod Li logam selepas perlanggaran
[Kredit: Akira Yoshino, Kelahiran Bateri Li-Ion, Karangan Angewandte, Angew., Chem. Int. Ed., 2012, 51, 5798-5800 ]

Penemuan dan perkembangan ini akhirnya membawa kepada pelepasan bateri litium komersial
pada tahun 1991. Dengan perkembangan selanjutnya, bateri Li-ion telah dikomersialkan oleh Sony pada tahun 1991 dan oleh usaha sama Asahi Kasei dan Toshiba pada tahun 1992.
[Nishi, Y., Pembangunan Bateri Sekunder Litium Ion. Kimia. Rec. 2001, 1, 406–413]
Bateri adalah berasaskan bahan anod berasaskan kok petroleum, LixCoO2 sebagai katod, dan elektrolit bebas air yang terdiri daripada litium heksafluorofosfat (LiPF6) dalam propilena karbonat (PC). Voltan pengecasan adalah tinggi (sehingga 4.1 V), dengan tenaga khusus yang direkodkan ~80 Wh/kg dan ketumpatan tenaga ~200 Wh/liter.

Berbanding dengan bateri lain yang berada di pasaran pada masa itu, bateri litium dengan cepat menjadi sangat kompetitif dan pada asasnya membuka jalan untuk revolusi mudah alih yang akan datang.
Pada masa yang sama, didapati bahawa grafit sebenarnya boleh digunakan dalam kombinasi dengan komposisi elektrolit yang sesuai. [Fong R, Sacken U von, Dahn JR, Kajian Interkalasi Litium ke dalam Karbon Menggunakan Sel Elektrokimia Tak Berair. J. Elektrokim. Soc. 1990, 137 (7), 2009–2013]

Dengan menggunakan pelarut yang mengandungi etilena karbonat, sehingga kini secara amnya diabaikan kerana takat leburnya yang lebih tinggi, interfasa elektrolit pepejal (SEI) telah terbentuk pada permukaan elektrod grafit semasa kitaran cas/nyahcas, dengan itu melindungi bahan karbon daripada pengelupasan dan penguraian selanjutnya. . [Peled, E. Kelakuan Elektrokimia Logam Alkali dan Alkali Bumi dalam Sistem Bateri Tak Berair, Model Interfasa Elektrolit Pepejal. J. Elektrokim. Soc. 1979, 126 (12), 2047–2051.

Penemuan ini telah diterima pakai dengan pantas oleh komuniti bateri, dan bateri litium-ion generasi akan datang berdasarkan grafit semasa bahan anod dibangunkan. Dengan bahan anod ini, bateri dengan voltan pengecasan 4.2 V dihasilkan tidak lama kemudian, menghasilkan ketumpatan tenaga ~400 Wh/liter.
Pembangunan bateri litium-ion tidak berhenti dengan penemuan penting ini, tetapi banyak penambahbaikan dan alternatif telah dilaporkan sejak itu. Sebagai contoh, bahan katod baharu telah dikenal pasti secara berterusan untuk digunakan dalam aplikasi bateri tertentu, dan dua bahan tersebut berasal daripada kumpulan Goodenough: bahan spinel Li1-xMn2O4 dan bahan olivin LixFePO4 (LFP).

[Padhi, AK; Nanjundaswami, KS; Goodenough, JB Phospho-Olivines sebagai Bahan Elektrod Positif untuk Bateri Litium Boleh Dicas semula. J. Elektrokim. Soc. 1997, 144, 1188–1194.
Thackeray, MM; David, ISTERI; Bruce, PG; Goodenough, JB Lithium Insertion ke dalam Mangan Spinel. Mater. Res. lembu jantan. 1983, 18, 461–472].
Bahan yang terakhir dihadkan oleh potensi yang agak rendah berbanding Li+/Li daripada LixCoO2, tetapi mempunyai kestabilan yang tinggi dan boleh digunakan pada kadar pengecasan yang tinggi. Beberapa bahan elektrod dan sistem elektrolit lain juga telah ditemui, membawa kepada bahan simpanan tenaga yang sentiasa dipertingkatkan untuk manfaat masyarakat.

Apakah jenis bateri yang digunakan dalam kenderaan elektrik?

Pada masa kini, kebanyakan EV menggunakan bateri Li-ion. Terdahulu, bateri Ni-MH dan asid plumbum telah digunakan, tetapi penggunaannya perlahan-lahan merosot disebabkan oleh kemunculan bateri Li-ion, yang mempunyai tenaga khusus yang lebih tinggi dan nilai ketumpatan tenaga yang lebih tinggi. Tenaga khusus bateri asid plumbum adalah kira-kira 40-50 Wh/kg manakala bateri Li-ion mempunyai kira-kira 150 Wh/kg. Nilai ketumpatan tenaga untuk bateri asid plumbum ialah 80-100 Wh/liter manakala bateri Li-ion telah mendapat lebih daripada 250 Wh/liter.

Sel silinder dengan katod nikel-kobalt-aluminium (NCA) dan anod komposit silikon/grafit, seperti yang digunakan dalam pek bateri Tesla terkini (2019-2020), telah mencapai lebih kurang 270 Wh/kg dan 650 Wh/liter. Teknologi baharu yang dipanggil Licerion oleh Sion Power menuntut tenaga khusus 500 Wh/kg dan ketumpatan tenaga 1000 Wh/L dan> 450 kitaran dalam sel pembangunan 0.4 Ah.
Untuk bateri kecil, kami bercakap dari segi Wh. Untuk sistem kapasiti yang lebih tinggi, unit kWj digunakan. Nilai Wh dibahagikan dengan 103 akan memberikan kWj.
Oleh itu 850 Wh = 850/1000 = 0.850 kWj.

Sel yang digunakan dalam bateri EV hari ini boleh mencapai tenaga khusus nominal 140 -170 Wh/kg. Tenaga khusus pek bateri yang terhasil biasanya 30 hingga 40 peratus lebih rendah, atau 80 -120 Wj/kg. Pengurangan ini disebabkan oleh beberapa siri dan selari penyambung petunjuk, BMS dan sistem pengurusan haba (penyejukan atau pemanasan). Pada 2019, peratusan pek komponen bukan sel telah turun kepada kira-kira 28%.

Sehingga kini, sel mula-mula dimasukkan ke dalam modul dan kemudian dimasukkan ke dalam pek. kedua-duanya Contemporary Amperex Technology Co. Terhad, China ( CATL) dan Tesla telah memutuskan bahawa mereka mahu menyingkirkan modul dan meletakkan sel ke dalam pek secara terus. CATL telah pun berbuat demikian dan memanggilnya teknologi sel-ke-kemas . Walaupun maklumat tentang ini adalah terhad, syarikat mendakwa bahawa ini boleh meningkatkan tenaga khusus sebanyak 10-15% dan meningkatkan penggunaan volum sebanyak 15-20%. Secara keseluruhan, ia dilaporkan boleh mengurangkan bahagian yang diperlukan untuk pek bateri sebanyak 40%. [https://cleantechnica.com/2020/02/18/how-catl-lithium-iron-phosphate-batteries-could-be-leading-to-100-kwh-tesla-model-3/]

Penetapan Bateri Litium

Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa (IEC) dan Institusi Piawaian India telah menubuhkan sebutan umum untuk menerangkan kimia dan saiz sel Litium-ion.

[ Sel litium sekunder dan bateri untuk aplikasi mudah alih, Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa, IEC 61960-1 dan IEC 61960-2 dan IS 16047: 2012 ].

Huruf menunjukkan kimia dan faktor bentuk manakala nombor menentukan dimensi fizikal sel. Huruf pertama menerangkan kimia am, huruf kedua menunjukkan kimia katod khusus dan huruf ketiga menunjukkan bentuk.

Huruf pertama: I – Kimia litium-ion

Huruf kedua: C- kobalt, F- besi, Fp – besi fosfat, N- nikel, M-mangan, Mp- mangan fosfat, T- titanium, V –vanadium dan x – lain-lain.

Huruf ketiga: R- silinder, P-prismatik

Dua nombor pertama yang berikut menetapkan diameter dalam mm dan tiga yang terakhir untuk menetapkan ketinggian dalam persepuluh mm. Oleh itu sel yang ditetapkan ICR19/66 ialah sel ion Litium dengan katod kobalt yang mempunyai diameter yang> 18 mm dan ≤ 19 mm dan ketinggian keseluruhan maksimum iaitu> 65 mm dan ≤ 66 mm.

Untuk sel prismatik, huruf awal mempunyai makna yang sama tetapi dua nombor pertama menunjukkan lebar dalam mm, dua nombor seterusnya ialah ketinggian dalam mm dan dua nombor terakhir ialah panjang dalam mm. Oleh itu, penetapan sel IMP9/35/150 menerangkan sel ion Litium prismatik dengan sel katod mangan yang ketebalan maksimumnya ialah > 8 mm dan ≤ 9 mm dan lebar maksimum iaitu > 34 mm dan ≤ 35 mm dan ketinggian keseluruhan maksimum iaitu > 149 mm dan ≤ 150 mm.

Bagaimanakah Bateri Litium-ion Berfungsi?

bagaimana bateri ion litium dibuat

Logam litium dengan nombor atom 3, ketumpatan 0.534 g/cc, mempunyai potensi pengurangan piawai yang sangat rendah (pasangan Li + /Li -3.05 V vs. SHE) dan kapasiti khusus teori 3860 Ah/kg (2061 mAh/cc) ialah berat paling ringan, voltan tertinggi, dan ketumpatan tenaga terbesar bagi semua logam. (Bandingkan dengan plumbum nombor atom 82, ketumpatan 11.29 g/cc, kapasiti khusus teori 257.8 Ah/kg dan potensi pengurangan standard -0.35V berbanding SHE).

Bateri litium ion - Bahan Aktif

Bahan aktif elektrod positif ialah salah satu daripada oksida campuran seperti LiCoO2 atau LiMnO2 atau LiFePO4. Elektrod negatif terutamanya grafit dan sebatian karbon amorf. Elektrolit organik (mengandungi garam pengalir litium tercerai seperti LIPF6) digunakan. Polipropilena (PP) atau polietina (PE) atau pemisah bercampur digunakan. Ion litium berhijrah ke sana ke mari antara elektrod bateri litium-ion semasa mengecas dan menyahcas dan diselitkan ke dalam bahan aktif seperti yang diterangkan di bawah:

Figure-1.-An-exploded-view-of-a-Li-ion-cell.jpg

Rajah 9. Pandangan meletup sel ion Litium

Kredit: Zhang Z., Ramadass P. (2012) Sistem dan Teknologi Bateri Litium-Ion. Dalam: Meyers RA (eds) Ensiklopedia Sains dan Teknologi Kelestarian. Springer, New York, NY, ms 6124. http s://doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663

Bagaimana pengecasan bateri ion litium

Semasa proses nyahcas dalam sel ion Litium (LIB) ion litium daripada anod dinyah-interkalasi (atau diekstrak) ke dalam elektrolit dan ion litium daripada elektrolit ini diseling ke dalam bahan katod . Pergerakan ion dari anod ke katod ini disertai dengan pembebasan elektron yang mengalir dalam litar luar. Proses sebaliknya berlaku semasa proses pengecasan di mana ion litium bergerak dari katod dan berinterkalasi dalam anod melalui elektrolit . LIB komersial biasanya menggunakan oksida logam peralihan seperti LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 dan LiFePO 4 sebagai bahan katod, yang disalut pada pengumpul arus aluminium.

Sepuluh hingga dua puluh peratus karbon konduktif dan 5 %–10% pengikat polimer seperti polyvinylidene difluoride (PVDF) dan polytetrafluoroethylene (PTFE) juga ditambah bersama bahan aktif untuk meningkatkan kekonduksian elektronik dan masing-masing mencapai lekatan bahan elektrod yang lebih baik. Bahan anod disalut pada pengumpul arus kuprum dengan pengalir karbon dan PVDF jika diperlukan.

Kedua-dua elektrod dipisahkan oleh pemisah berliang (polietilena atau filem polipropilena dengan ketebalan 10–20 µm) yang direndam dalam larutan elektrolit (LiPF6 dalam pelarut organik). Kedua-dua pemisah dan larutan elektrolit harus mempunyai kekonduksian ionik yang lebih baik. Sel ini biasanya dibuat dalam selongsong logam dalam fesyen jellyroll dengan pemisah yang dicelup elektrolit di antara dua elektrod. Skema LIB ditunjukkan dalam rajah, di mana proses cas dan nyahcas biasa ditunjukkan.

Bateri boleh dicas semula litium-ion (Li-ion) menggunakan pemasukan/pengeluaran boleh balik ion litium (Li + ) (spesies tetamu) ke dalam atau daripada matriks perumah (bahan aktif elektrod positif dan negatif) yang dipanggil sebatian pemasukan litium apabila nyahcas dan mengecas proses berlaku. Bateri litium ion telah dirujuk sebagai bateri kerusi goyang kerana ion litium “bergoyang” bolak-balik antara elektrod positif dan negatif semasa sel dicas dan dinyahcas.

Bahan aktif positif lazimnya ialah oksida logam dengan struktur berlapis, seperti litium kobalt oksida (LiCoO 2 ), atau bahan yang mempunyai struktur terowong, seperti litium mangan oksida (LiMn 2 O 4 ) , kebanyakannya pada pengumpul arus aluminium . Bahan aktif negatif biasanya karbon grafit , juga bahan berlapis, kebanyakannya pada pengumpul arus kuprum. Dalam proses cas-nyahcas, ion litium dimasukkan atau diekstrak daripada ruang interstisial antara lapisan atom bahan aktif.

Elektrolit bukan akueus atau elektrolit organik digunakan dalam sel litium.

Pemisah untuk bateri litium-ion ialah filem mikroporous poliolefin polietilena (PE) dan polipropilena (PP).

Rajah-xx.-Mekanisme-pelepasan-dalam-sel-Li-ion.jpg
Rajah 10. Mekanisme pelepasan dalam sel ion Litium (Rajah oleh PG Balakrishnan)
Figure-xx-Charge-mechanism-in-a-Li-ion-cell.jpg

Tindak balas sel elektrokimia dalam bateri ion litium

Dalam sel ion Litium biasa, tindak balas generik berikut berlaku.

Tindak balas elektrod positif:

LiMO 2 ⇔ Li 1-x MO 2 + x Li + + xe

Tindak balas elektrod negatif:

C + y Li + + ye ⇔ Li y C

Jumlah tindak balas sel:

LiMO 2 + x/y C ⇔ x/y Li y C + Li 1-x MO 2

M = logam seperti Co, Mn, Ni, Ti, dll.

Biasanya x ialah kira-kira 0.5 dan y ialah kira-kira 0.16, oleh itu x/y ialah kira-kira 3. [Jeff Dahn dan Grant M. Ehrlich. “Bateri ion litium”, Buku Panduan Bateri Linden, edisi ke- 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw

Interfasa Elektrolit dan Pepejal-Elektrolit (SEI)

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, elektrolit bukan akueus atau elektrolit organik digunakan dalam sel litium. Sel Li beroperasi pada voltan yang agak tinggi, sehingga 4.2 V setiap sel. Walaupun garam litium besar seperti litium heksafluorofosfat (LiPF6), litium heksafluoro arsenat (LiAsF6), litium tetrafluoroborat (LiBF4), litium perklorat (LiClO4), litium trifluoromethanesulfonat (LiCF3SO3), Litium difluoro(oksalat)borat (LIODFB) dsb. , adalah elektrolit sebenar (mengekalkan garam elektrolit), ia memerlukan pelarut yang sesuai yang stabil pada voltan yang lebih tinggi. Kebanyakan pelarut tersebut mempunyai pemalar dielektrik yang tinggi, memudahkan pemisahan ionik yang lebih mudah dan kewujudan Li-ion yang sangat pekat. Pelarut sedemikian juga berfungsi sebagai sarung solvasi untuk kewujudan stabil ion Li, dengan itu mengurangkan pengaruh anion balas.

Kelemahan mempunyai pemalar dielektrik yang tinggi ialah ia mempunyai nilai kelikatan yang lebih tinggi yang mengakibatkan pergerakan ion terjejas . Untuk mengatasi kekonduksian ionik yang lebih rendah, pelarut likat rendah biasanya dicampur dengan pelarut likat tinggi. Tetapi, oleh kerana pelarut likat rendah mempunyai penceraian ion yang lebih rendah , adalah penting untuk mencapai nisbah campuran optimum supaya campuran mempunyai kekonduksian ionik yang baik dan mobiliti yang baik. Sebagai pelarut bukan akueus, campuran etilena karbonat (EC) dengan alkil karbonat linear kurang likat seperti dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), dan etil metil karbonat (EMC) digunakan dalam LIB yang tersedia secara komersial.

Pelarut aprotik adalah eter, ester dan alkil karbonat: Mereka adalah dietil eter (DEE), tetrahydrofuran (THF), dioxolane, etilena karbonat (EC), propilena karbonat (PC), dimetil karbonat (DMC), dietil karbonat (DEC), etil metil karbonat (EMC), metil format, γ-butyrolactone (BL), metil asetat, asetonitril (AN), dimetil sulfoksida (DMSO), dimetilformamida (DMF), metil klorida, nitrometana dll.)

Elektrolit cecair ialah larutan garam litium dalam satu atau lebih pelarut organik, biasanya karbonat

Propilena karbonat (PC) tidak boleh digunakan sebagai elektrolit jika grafit hendak digunakan sebagai anod, kerana bekas terurai pada permukaan grafit; PC yang digunakan secara bersendirian, tanpa EC atau tambahan kecil LiBOB) Li bisoxalato borate), boleh menyebabkan kemerosotan dalam elektrod grafit kerana ia berinterkalasi bersama litium, mengakibatkan pengelupasan.

Elektrolit adalah invarian (bilangan ion yang sama masuk seperti meninggalkan elektrolit semasa cas dan

pelepasan). Garam elektrolit biasanya dibubarkan dalam pelarut karbonat organik. Setiap pengeluar mempunyai gabungan pelarut yang berbeza dengan etilena karbonat (EC) menjadi penyebut biasa bagi kebanyakan

Pembentukan lapisan interfasa elektrolit pepejal (SEI) adalah satu lagi fungsi penting yang dilakukan oleh elektrolit. Apabila logam alkali direndam dalam elektrolit bateri, atau apabila potensi negatif dikenakan pada karbon atau pada elektrod lengai yang direndam dalam elektrolit, SEI mula terbentuk.

Lapisan SEI yang terbentuk serta-merta apabila logam bersentuhan dengan larutan, terdiri daripada produk pengurangan komponen elektrolit yang tidak larut dan separa larut. SEI ialah faktor utama yang menentukan keselamatan, keupayaan kuasa, morfologi mendapan litium, jangka hayat dan hayat kitaran bateri. Lekatan yang baik pada anod adalah penting juga.

Seperti yang ditekankan di atas, bateri alkali atau alkali tanah primer atau sekunder praktikal boleh dibina hanya jika pembubaran atau kakisan anod boleh dihentikan. Oleh itu, elektrolit mesti direka bentuk untuk mengandungi sekurang-kurangnya satu prekursor SEI yang bertindak balas dengan cepat dengan litium (atau dengan anod alkali-logam) untuk membentuk interfasa pepejal-elektrolit yang tidak larut. Hasil pengurangan anion garam lazimnya adalah sebatian tak organik seperti LiF, LiCl dan Li 2 O, yang memendakan pada permukaan elektrod. Pengurangan pelarut diikuti dengan pembentukan kedua-dua komponen SEI yang tidak larut seperti Li 2 CO 3 dan separa karbonat dan polimer larut separa.

Dalam kes elektrod karbon, voltan di mana SEI terbentuk bergantung pada jenis karbon, sifat pemangkin permukaannya (kandungan abu, jenis satah kristalografi, nisbah satah basal-ke-tepi), suhu, kepekatan dan jenis pelarut, garam dan bendasing, dan pada ketumpatan arus. Pada pengecasan pertama bateri litium-ion, terdapat kehilangan kapasiti yang dipanggil “kehilangan kapasiti tidak boleh balik” (Q IR ) yang diperlukan terutamanya untuk pembentukan SEI.

Sebagai tambahan kepada pembentukan SEI, Q IR mungkin disebabkan oleh kehilangan kapasiti yang berkaitan dengan pembentukan produk pengurangan terlarut (Q SP ).

SEI bebas pencemaran adalah penting untuk hayat kitaran bateri yang panjang. Ia menjadi lebih penting semasa berbasikal pada kadar yang tinggi dan pada kedalaman pelepasan yang lebih besar.
SEI dalam larutan litium heksafluorofosfat (LiPF6) dan litium heksafluoroarsenat (LiAsF6) mempunyai kerintangan yang lebih tinggi berbanding dengan larutan garam lain. Ini disebabkan oleh perubahan kerintangan yang menyumbang kepada rintangan terkawal spesies yang membawa kepada impedans antara muka anod litium yang tinggi dalam elektrolit LiPF6 dan LiAsF6. Di samping itu, Li2CO3 dinyatakan sebagai salah satu agen pasif terbaik untuk meningkatkan kecekapan berbasikal litium [J Electrochem Soc.,164 (7) A1703-A1719 (2017)].

Pemisah untuk bateri litium-ion

Pemisah untuk bateri litium-ion ialah filem mikroporous poliolefin dan secara amnya adalah polietilena (PE) dan polipropilena (PP) yang dilukis secara unipaksi, PE yang dilukis secara dwipaksi atau PP/PE/PP yang dilukis secara berbilang paksi.

Bahan mentah untuk bahan aktif dalam bateri ion litium

Bateri litium ion menggunakan bahan katod yang berbeza. Anod selalunya berasaskan karbon, kecuali beberapa seperti anod titanium-niobium oksida, aloi Li-Si dll. Jadual dan rajah berikut memberikan beberapa idea tentang kimia berbeza yang digunakan dalam bateri ini.

Figure-xx-A-summary-of-some-present-and-future-electrode-chemistry-options-for-Li-ion-batteries.jpg

Rajah 12. Ringkasan beberapa pilihan kimia elektrod masa kini dan masa hadapan untuk bateri Litium ion. Kapasiti Li(Si) yang dicadangkan ialah 50% daripada kapasiti teori bahan, sama seperti kes yang ditemui untuk beberapa bahan elektrod positif

[Kredit: Yu Miao, Patrick Hynan, Annette von Jouanne, dan Alexandre Yokochi, Energies 2019, 12, 1074; doi:10.3390/ms12061074]

Jadual 1.

Ciri-ciri sel ion Litium dengan bahan katod yang berbeza

Bahan Katod Li-Ni-Co-Al (NCA) Li-Ni-Mn-Co (NMC) Li-MnO2 (LMO) Li-Iron Phosphate (LFP) Li Titanate (LTO) Li Kobalt Oksida (LCO)
Voltan Nominal sel (V) 3.6 3.65 (2.7-4.2) 3.8 3.25 (2-3.6) 3.2 3.6
Tenaga khusus teori (Wh/kg) 279 256 148 128 (373) 293 (175) 274 (370) (x=0.5)
Kapasiti khusus untuk katod (Ah/Kg) Potensi lwn Li/Li+ (V) 180-200 (3.8) 200 148 (4.1) 150-170 (3.45) 175 274 (3.9) (x=0.5)
Tenaga Khusus untuk katod (Wh/Kg) 680-760 610-680 410-492 548 518-587 544 -- 546
Keselamatan selamat Sederhana selamat tinggi Sangat bagus Sederhana

Bahan katod dalam bateri ion litium

Bahan katod mesti memenuhi beberapa keperluan yang bergantung pada pemilihan bahan elektrod positif.

  • Untuk menyediakan kapasiti tinggi, bahan ini mesti menggabungkan sejumlah besar litium seperti yang dibuat.
  • Selanjutnya, bahan mesti berinterkalasi balik dengan sedikit perubahan struktur untuk membenarkan hayat kitaran yang panjang, kecekapan jam ampere tinggi dan kecekapan tenaga yang tinggi.
  • Untuk mencapai voltan sel tinggi dan ketumpatan tenaga tinggi, tindak balas pertukaran litium mesti berlaku pada potensi tinggi berbanding litium.
  • Untuk memudahkan proses cas dan nyahcas kadar tinggi, kekonduksian elektronik dan mobiliti ion litium dalam bahan mestilah tinggi.
  • Bahan elektrod positif tidak boleh larut dalam elektrolit dan mesti tersedia pada kos yang berpatutan. Untuk meminimumkan kos, penyediaan daripada bahan yang murah dalam proses kos rendah adalah diutamakan

LiFePO 4 adalah pengecualian kepada peraturan ini. Dalam LiFePO 4 , pengangkutan ion litium yang mencukupi dicapai dengan menggunakan zarah elektrod yang mempunyai saiz zarah nanometer. [Jeff Dahn dan Grant M. Ehrlich. “Bateri ion litium”, Buku Panduan Bateri Linden, edisi ke- 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, ms. 26.6, 2011]

Bahan aktif positif (PAM) dalam sel ion Litium berbeza-beza bergantung kepada pengilang. Bahan katod boleh dikelaskan kepada tiga kategori luas [ Arumugam Manthiram, Nature Communications (2020) 11:1550]. Mereka ialah:

Oksida berlapis - bahan katod dalam bateri ion litium

Beberapa oksida jenis umum LiMO 2 (di mana M =vanadium, kromium, kobalt dan nikel) menghablur dalam struktur berlapis di mana ion Li + dan M 3+ menduduki [jalur bergantian struktur garam batu untuk memberikan urutan lapisan daripada O-Li-OMO.

Dalam katod oksida berlapis LiCoO 2 , perbezaan cas dan saiz yang besar antara ion Li + dan trivalen Co 3+ membawa kepada susunan kation yang baik, yang penting untuk menyokong resapan dan kekonduksian litium dua dimensi yang pantas dalam satah litium.

Bahan katod memerlukan tahap ketulenan yang sangat tinggi dan mesti hampir sepenuhnya bebas daripada kekotoran logam yang tidak diingini – terutamanya besi, vanadium dan sulfur.

Figure-xx-Simplified-schematic-of-a-layered-structure-in-which-there-is-alternate-occupation-of-the.jpg

Rajah 13. Skema ringkas struktur berlapis di mana terdapat pekerjaan gantian

lapisan kation antara lapisan ion oksida padat rapat.

[Kredit: Robert A. Huggins, Bateri Termaju, Aspek Sains Bahan, Springer, New York, 2009, hlm.168]

Kestabilan struktur yang baik bersama-sama dengan kekonduksian elektrik dan litium-ion yang tinggi menawarkan ciri cas-nyahcas yang pantas dengan kebolehbalikan yang baik. Dengan ciri-ciri ini, LiCoO2 kekal sebagai salah satu katod terbaik setakat ini dengan voltan operasi tinggi ~4 V. Katod LiCoO2 diselesaikan
dua cabaran utama yang berkaitan dengan katod sulfida yang dijalankan pada tahun 1970-an. Ia membolehkan bukan sahaja peningkatan yang ketara dalam voltan operasi daripada< 2.5 V hingga ~4 V tetapi juga pemasangan sel tanpa perlu menggunakan anod litium logam.

Spinel oxides - bahan katod dalam bateri ion litium

Kelas kedua katod ialah spinel LiMn 2 O 4 . (Formula am ialah AB 2 O 4 ). Walaupun struktur ini biasanya digambarkan dalam koordinat padu, ia juga mempunyai lapisan selari ion oksida pada (111) satah, dan terdapat kedua-dua tapak selaras oktahedral dan tapak selaras tetrahedral antara satah ion oksida. Bilangan tapak oktahedral adalah sama dengan bilangan ion oksida, tetapi terdapat dua kali lebih banyak tapak tetrahedral. Kestabilan struktur tiga dimensi dan kekonduksian elektrik dan litium-ion yang tinggi menawarkan ciri caj-nyahcas yang lebih pantas untuk Li 1 x Mn 2 O 4 dengan kebolehterbalikan yang baik berbanding dengan LiCoO 2 .

Kelebihan penting untuk beralih dari LiCoO 2 ke LiMn 2 O 4 ialah pengurangan kos yang ketara kerana mangan adalah dua urutan magnitud yang lebih rendah dalam kos daripada Co. Walau bagaimanapun, satu isu kritikal dengan LiMn 2 O 4 ialah pelarutan mangan daripada kekisi ke dalam elektrolit dengan kehadiran jumlah surih (paras ppm) ion H + (keasidan) dalam elektrolit disebabkan oleh ketidakkadaran Mn 3 yang terkenal. + kepada Mn 4+ dan Mn 2+ dalam asid.

Figure-xx-Schematic-of-the-spinel-structure-in-which-the-cations-are-distributed-between-the-close-packed.jpg

Rajah 14 . Skema struktur spinel di mana kation diagihkan antara satah (111) padat rapat ion oksida di antara tapak tetrahedral dan oktahedral [ Kredit: Robert A. Huggins, Bateri Lanjutan, Aspek Sains Bahan, Springer, New York, 2009, hlm.17].

Bahan katod Lithium-Nickel-Manganese Oxide (LNMO) voltan tinggi kelihatan menjanjikan dalam bateri generasi akan datang. Tetapi batu penghalangnya ialah kekurangan elektrolit yang boleh mengendalikan tekanan bateri berasaskan LNMO. Sel bateri berasaskan katod LNMO memberikan hasil setanding dengan bateri berasaskan litium berprestasi tinggi lain, tetapi pada kos yang jauh lebih rendah.

Walau bagaimanapun, pengeluar elektrolit mendapat hasil yang sangat menjanjikan daripada penyelidikan & pembangunan berterusan yang akan, pada satu ketika, menghasilkan elektrolit yang akan berfungsi dengan baik dalam sel bateri LNMO. https://blog.topsoe.com/the-cathode-material-for-next-generation-lithium-ion-batteries-is-ready

Baru-baru ini, meningkatkan kandungan Ni dan menurunkan atau menghapuskan kandungan kobalt dalam katod NMC menjadi lebih menonjol [ Li, W., Erickson., E. & Manthiram, A. Katod oksida berlapis nikel tinggi untuk bateri automotif berasaskan litium. , Nat. Tenaga 5, 26 24 (2020)].

Oksida poli-anion - bahan katod dalam bateri ion litium

Kelas ketiga oksida ialah polianion oksida. Polianion oksida seperti Fe 2 (MoO 4 ) 3 dan Fe 2 (WO 4 ) 3 didapati mengalami sisipan/pengekstrak boleh balik dua ion litium bagi setiap unit formula untuk memberikan Li 2 Fe 2 (MoO 4 ) 3 atau Li 2 Fe 2 ( WO 4 ) 3 kedua-duanya melalui kaedah kimia dan elektrokimia

[Manthiram, A., Goodenough, JB Penyisipan litium ke dalam rangka kerja Fe 2 (MO 4 ) 3 : perbandingan M = W dengan M = Mo. J. Kimia Keadaan Pepejal. 71, 349 360 (1987)].

Berdasarkan karya Manthiram dan Goodenough,

[Manthiram, A. & Goodenough, sisipan Litium JB ke dalam rangka kerja Fe 2 (MO 4 ) 3 : perbandingan M = W dengan M = Mo. J. Kimia Keadaan Pepejal. 71, 349–360 (1987). Manthiram, A. & Goodenough, JB Lithium sisipan ke dalam rangka kerja Fe 2 (SO 4 ) 3 . J. Sumber Kuasa 26, 403–406 (1989).]

Penerokaan fosfat yang mengandungi litium sebagai katod membawa kepada pengenalpastian olivin LiFePO 4 sebagai katod [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium boleh dicas semula. J. Elektrokim. Soc. 144, 1188–1194 (1997] pada tahun 1997.

Tetapi, kelas polianion oksida mengalami kekonduksian elektronik yang lemah. [ Arumugam Manthiram, Nature Communications (2020) 11:1550].

Penerokaan fosfat yang mengandungi litium sebagai katod membawa kepada pengenalpastian olivin LiFePO 4 sebagai katod [Padhi, AK, Nanjundaswamy, KS & Goodenough, JB Phospho-Olivines sebagai bahan elektrod positif untuk bateri litium boleh dicas semula. J. Elektrokim. Soc. 144, 1188–1194 (1997] pada tahun 1997.

Tetapi, kelas polianion oksida mengalami kekonduksian elektronik yang lemah. [ Arumugam Manthiram, Nature Communications (2020) 11:1550].

Pembuatan bahan Katod - Bateri ion litium

Terdahulu, sebatian katod litium logam oksida dibuat daripada litium karbonat dan garam logam terpilih melalui satu siri tindak balas penggantian kimia yang dilakukan dalam larutan. Produk yang dikehendaki dimendakan dan dikeringkan dengan semburan.

LiCoO 2 pertama kali disediakan oleh kaedah sintesis konvensional yang ditunjukkan dalam rajah . Tricobalt tetraoxide (Co 3 0 4 ) dan litium karbonat (Li 2 CO 3 ) dicampur dengan baik, diikuti dengan pengkalsinan dalam aliran udara pada suhu sekitar 950ºC. Walau bagaimanapun, melalui kaedah ini, sangat sukar untuk menyediakan zarah kasar LiCoO 2 dan hanya zarah halus dengan diameter 1-3 petang boleh diperolehi.

Bahan elektrod aktif yang halus tidak diingini dari sudut keselamatan. Dalam kes penyalahgunaan seperti litar pintas luaran atau penghancuran, zarah halus dengan luas permukaan khusus yang besar mudah bertindak balas pada satu masa dan semua tenaga sel dibebaskan secara tiba-tiba dalam masa yang sangat singkat dengan kenaikan suhu yang mengiringi. Dalam kes yang paling teruk, sel boleh terbakar [Yoshio Nishi, dalam Bateri ion Litium, M. Wakihara dan 0. Yamamoto (Eds.). muka surat 192-193].

Bagaimana bateri ion litium dihasilkan? carta alir

Figure-xx-Flow-chart-for-making-Li-CoO2.jpg

Rajah 15. Carta alir untuk membuat Li-CoO 2

[Kredit: Yoshio Nishi, dalam Lithium ion Batteries, M. Wakihara dan 0. Yamamoto (Eds.). muka surat 192-193].

Proses yang lebih baik untuk mensintesis litium kobaltit dengan saiz zarah yang lebih besar: Perkara pertama ialah sejumlah kecil resin PVA ditambah dalam campuran bahan mentah (Co 3 0 4 dan Li 2 CO 3 )) untuk membentuk pelet berbutir dengan granulator. . Dengan mensinterkan pelet dalam aliran udara yang mengandungi jumlah gas C0 2 yang sesuai, zarah litium kobaltit dengan diameter purata 20pm disintesis. Perkara kedua ialah kita menggunakan jumlah litium karbonat (Li 2 CO 3 ) yang sedikit berlebihan dalam bahan mentah, jadi nisbah atom Li/Co dalam bahan mentah adalah lebih besar daripada satu. Prosedur ini juga sesuai untuk mendapatkan zarah kasar, dan sebagai tambahan, LiCoO 2 yang terhasil mengandungi sejumlah kecil sisa Li 2 CO 3 .

Perkara pertama ialah sejumlah kecil resin PVA ditambah dalam campuran ‘bahan mentah (Co304 dan Li 2 CO 3 ) untuk membentuk pelet berbutir dengan granulator. Dengan mensinter, Litium kobalt oksida boleh disediakan dengan mudah melalui pembakaran suhu tinggi campuran stoikiometri litium karbonat Li 2 CO 3 dan kobalt oksida, Co 3 O 4 atau kobalt logam pada suhu 600–800°C, kemudian penyepuhlindapan pada 900°C selama berjam-jam, semuanya di bawah atmosfera oksigen.

Ia juga boleh didapati dengan pengkalsinan oksida terhidrat dengan litium hidroksida sehingga 750–900°C.

Kaedah ketiga menggunakan litium asetat, kobalt asetat dan asid sitrik dalam jumlah molar yang sama, dalam larutan air. Pemanasan pada 80°C menukarkan campuran menjadi gel lutsinar likat. Gel kering kemudiannya dikisar dan dipanaskan secara beransur-ansur hingga 550°C. (https: //ms.wikipedia.org/wiki/Lithium_cobalt_oxide).

Beberapa contoh tipikal ialah: Kaedah sol-gel

Dalam proses sol-gel, larutan akueus bahan tindak balas dan larutan agen pengkelat dicampur. Penyejatan perlahan pelarut menghasilkan sol dan pemanasan sederhana sol yang diperolehi menghasilkan gel. Yang terakhir dikalsinkan pada suhu yang sesuai untuk mendapatkan produk yang diingini.

Contoh 1.

Sintesis LiCoO 2 daripada agen pengkompleks yang berbeza: Garam yang digunakan ialah kobalt nitrat heksa hidrat (Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O, dan litium nitrat, LiNO 3 kontang. Gel dihasilkan menggunakan empat agen pengkompleks yang berbeza: asid sitrik, kontang (C 3 H 4 OH(COOH) 3 , glisin, (H 2 NCH 2 COOH); kanji (kanji jagung komersial dan gelatin).

Lima larutan yang mengandungi LiNO 3 dan Co(NO 3 ) 2 .6H 2 O dalam 20 ml air, dengan perkadaran Li:Co = 1.1:1 disediakan. Agen pengkompleks khusus ditambah kepada setiap larutan: ( i ) asid sitrik (4.611 g) dicairkan dalam 5 ml air; ( ii ) glisin (1.501 g); ( iii ) kanji (1.250 g); ( iv ) gelatin (3.500 g) dan ( v ) ujian kosong.

Empat larutan pertama dipanaskan pada suhu 70 hingga 80°C dalam mandian gliserin sehingga pembentukan gel. Jumlah masa proses ini berbeza untuk setiap agen pembentuk gel: ( i ) asid sitrik (5 jam), ( ii ) glisin (3 jam), ( iii ) kanji (1 jam), ( iv ) gelatin (3 jam) . Pengeluaran serbuk kristal untuk semua sampel dilakukan dalam dua peringkat dalam relau meredam: pertama dengan pembakaran bahan pada 300°C selama 20-30 minit dan kemudian dipanaskan pada 700°C selama 24 jam. [Bruno GA Freitas dan lain-lain, J. Braz. Kimia. Soc. 28, 11, November 2017].

Contoh 2.

Disediakan dengan Kaedah Sol-Gel

LiNO3 mula-mula dilarutkan dalam larutan asid sitrik. LiNO3, Ni(NO3)2.6H2O Co(Ac)2.4H2O dan Mg(NO3)2.6H2O digunakan sebagai bahan permulaan litium, nikel, kobalt dan magnesium dalam LiNi 0.7 𝑥 M 𝑥 Co 0.3 O2 (0 ⩽ 𝑥 ⩽ 0.1), masing-masing. Jumlah asid sitrik adalah sama dengan jumlah jumlah molar Co, Ni, dan Mg. Kemudian, Co(Ac)2 4H2O, Ni(NO3)2 6H2O dan Mg(NO3)2 6H2O telah ditambah kepada campuran. Keseluruhan campuran dipanaskan dengan mandi air pada suhu 80∘C. Semasa proses pemanasan, larutan merah jambu yang jelas tanpa sebarang pemendakan terbentuk. Akhirnya, larutan jernih dikeringkan perlahan-lahan dan bertukar menjadi gel. Xerogel dikeringkan, dikisar, dan kemudian dipanaskan dalam ketuhar pada suhu 120°C selama 12 jam.

Prekursor gel dikalsinkan pada 500°C di udara selama 6 jam, dan disejukkan ke suhu bilik dalam relau tiub. Produk yang dirawat haba dikisar dalam mortar batu akik untuk mendapatkan serbuk. Dan kemudian serbuk itu dikalsinkan pada 800°C selama 12 jam. Untuk fabrikasi katod, produk yang disediakan terlebih dahulu dicampur dengan asetilena hitam dan polivinilidena fluorida (80: 8:12 berat) dalam 𝑁-metil pirolidon (NMP). Buburan yang diperoleh kemudian disalut pada kerajang Al dan dikeringkan pada suhu 80 o C selama 18 jam untuk menekan gulung selanjutnya. . [ Hailang Zhang, Kemajuan dalam Sains Bahan dan Kejuruteraan Vol 2014, ID Artikel 746341, ]

Figure-xx-Flow-chart-for-sol-gel-process-to-prepare-lithium-manganate.jpg

Rajah 16. Carta alir untuk proses sol-gel untuk menyediakan litium manganat

( Kredit: YS Lee, YK Sun dan KS, Nahm, Solid State Ionics 109 (1998) 285 seperti yang diberikan oleh, M. Pasquali, S. Passerini dan G Pistoia, dalam Bateri Lithium, Sains dan Teknologi, ed. oleh GA Nazri dan G. Pistoia, Springer, New York, (2009), hlm. 318)

Pembuatan bahan Anod dalam bateri Litium ion

Laluan menggalakkan yang membawa kepada LIB dengan tenaga dan ketumpatan kuasa yang dipertingkatkan ialah pemilihan bahan anod yang sesuai yang boleh memberikan kapasiti tinggi dan memudahkan resapan Li-ion ke dalam anod, bersama-sama dengan hayat kitaran yang baik dan bebas daripada kebimbangan keselamatan.

Berdasarkan bahan prekursor, anod karbon boleh dikelaskan kepada beberapa jenis seperti yang diberikan di bawah.

Bahan prekursor dan parameter pemprosesan menentukan sifat karbon yang dihasilkan. Bahan yang boleh digrafikkan dengan rawatan pada suhu tinggi (2000 hingga 3000°C) dipanggil karbon lembut .

Selepas grafitisasi, gangguan turbostratik disingkirkan secara progresif dengan peningkatan suhu, dan ketegangan dalam bahan dilegakan [T. Zheng, JN Reimers, dan JR Dahn, Fizik. Rev. B 51 , 734 (1995)] Karbon keras , seperti yang disediakan daripada resin fenolik, tidak boleh digrafikkan dengan mudah, walaupun apabila dirawat pada 3000°C. Bahan jenis kok disediakan pada kira-kira 1000°C, biasanya daripada prekursor petroleum aromatik [Jeff Dahn dan Grant M. Ehrlich. “Bateri ion litium”, Buku Panduan Bateri Linden, edisi ke- 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, ms. 26., 2011]

Figure-xx-Carbon-anode-materials-precursor-classification.jpg

Rajah 17. Pengelasan prekursor bahan anod karbon

[Kredit: Jeff Dahn dan Grant M. Ehrlich. “Bateri ion litium”, Buku Panduan Bateri Linden, edisi ke- 4, Thomas B. Reddy (Ed.), McGraw Hill, ms. 26., 2011]

Goriparti membahagikan bahan anod LIB kepada tiga kategori bergantung pada mekanisme tindak balasnya dengan litium [ Subrahmanyam Goriparti, Ermanno Miele, Francesco De Angelis, Enzo Di Fabrizio, Remo Proietti Zaccaria, Claudio Capiglia, J Power Sources 257 (2014) 421-443]

Kumpulan interkalasi/de-interkalasi

Kategori anod ini termasuk bahan berkarbonat dan titanium oksida. Kapasiti penyimpanan yang berlaku melalui laluan interkalasi berkait rapat dengan luas permukaan, morfologi, kehabluran dan orientasinya. Karbon lembut biasanya diterima dengan baik dan digunakan dalam industri bateri. Ia dilihat bahawa karbon lembut adalah teknologi yang agak matang, manakala karbon keras mungkin memberikan penyelesaian alternatif yang menarik terutamanya untuk aplikasi yang memerlukan kapasiti tinggi seperti dalam sektor kenderaan elektrik. Anod Titanium Oksida telah digunakan oleh beberapa industri bateri.

Schematics-of-the-structure-of-a-graphitizing-but-non-graphite-carbon-Soft-carbon.jpg
Rajah 18. [Kredit: RE Franklin, Proc. Royal Soc. (London), A209, 196, 1951]
Schematics-of-the-structure-of-a-non-graphitizing-carbon-Hard-carbon.jpg

Graphene juga disemak secara meluas. Secara khususnya, ia dilihat bahawa sifat elektriknya menjadikan bahan ini sangat sesuai untuk graphene/anod logam hibrid (contohnya graphene dengan SnO2 dan Fe2O3). Karbon nano-tiub (CNTs) adalah penting untuk keputusan akademik mereka yang sangat menarik, walaupun kos pengeluaran mungkin menghalang penggunaannya sebagai bahan aktif anod dalam industri bateri untuk masa hadapan.

Figure-xx-Crystal-structure-of-hexagonal-graphite-showing-ABAB.jpg
Rajah 19. Struktur kristal grafit heksagon yang menunjukkan ABAB... susunan helaian graphene dan sel unit [Kredit: Mochida, I, Tansozaino Kagaku to Kogaku, Asakura, Tokyo (1990) p.10 (dalam bahasa Jepun), Diadaptasi daripada Ralph J. Brodd dan Kazuo Tagawain dalam Pendahuluan dalam Bateri Lithium-Ion, Walter A. van Schalkwijk dan Bruno Scrosati (Eds), Penerbit Akademik Kluwer, New York, hlm. 81, 2002.)]
Figure-xx-Crystal-structures-of-graphite-hexagonal-upper-and-rombohedral-below-.jpg
Rajah 20. Struktur kristal grafit, heksagon ( atas ) dan rombohedral ( bawah ) [Kredit: Zempachi Ogumi dan Hongyu Wang. (2009) Bahan Anod Karbon, Dalam Yoshio M., Brodd RJ, Kozawa A. (eds) Bateri Litium-Ion. Springer, New York, NY., ms 55 https://doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]

Walau bagaimanapun, untuk bateri EV yang besar, grafit kos rendah biasanya lebih disukai kerana pertimbangan kos.

Dalam kategori kedua, bahan mengaloi seperti Si, Ge, SiO, SnO2 telah diterangkan. Bahan-bahan ini boleh memberikan kapasiti yang lebih besar dan ketumpatan tenaga yang tinggi berbanding kumpulan sebelumnya, dengan bertindak balas dengan litium dalam mekanisme elektrokimia aloi/de-aloi. Walau bagaimanapun, proses ini membayangkan pengembangan volum yang besar yang mengakibatkan kehilangan kapasiti yang besar semasa berbasikal. Pengurangan daripada dimensi pukal kepada skala nano, bersama-sama dengan realisasi struktur kompleks dengan gabungan dengan matriks konduktif, telah dicadangkan untuk mengatasi isu-isu yang dinyatakan di atas dan untuk meningkatkan prestasi anod keseluruhan.

Silikon dan SnO2 dan kompositnya dengan karbon adalah bahan yang paling menjanjikan untuk aplikasi dalam bateri litium masa hadapan, bagaimanapun, cara yang murah untuk pengeluaran besar-besaran mereka sebagai bahan anod masih diperlukan. Sebaliknya, Ge, walaupun menarik untuk sifat elektrokimia dan keputusan makmal eksperimen yang sangat baik mengalami kelemahan sebagai unsur kelima puluh dari segi kelimpahan dalam kerak bumi. Oleh itu, nampaknya ia bukan pilihan yang baik untuk aplikasi massa teknologi bateri litium.

Dalam kumpulan ketiga, bahan yang bertindak balas dengan litium dalam fesyen tindak balas penukaran telah diterangkan. Khususnya, oksida logam/ fosfida/nitrida/sulfida telah dipertimbangkan. Walau bagaimanapun, bahan ini masih jauh dari pasaran bateri litium komersial yang besar, disebabkan pengekalan kapasiti yang lemah dan potensi histerisis yang besar. Oleh itu, pelbagai bentuk bahan berstruktur nano juga telah disiasat untuk menangani masalah yang dikenal pasti di atas.

Nanoteknologi sememangnya merupakan pendekatan yang menggerunkan untuk kejuruteraan bahan anod generasi seterusnya untuk bateri litium. Untuk menggunakan bahan yang diterangkan sebagai anod yang berkesan dalam LIB komersial, terutamanya untuk aplikasi EV, lebih banyak kerja penyelidikan bagaimanapun diperlukan. Malah, adalah perlu untuk mencapai kedua-dua tenaga yang lebih tinggi dan ketumpatan kuasa yang lebih tinggi bersama-sama dengan pembangunan proses fabrikasi yang murah untuk sintesis berskala besar bahan bersaiz nano. Tambahan pula, penyiasatan mekanisme yang mengawal interaksi antara litium dan bentuk nano bagi bahan yang diterangkan bersama-sama dengan sifat pengangkutan elektron pada antara muka elektrod/elektrolit adalah sangat penting untuk mereka bentuk bahan aktif anod generasi seterusnya yang direkayasa oleh nanoteknologi. .

Elektrod negatif yang kini digunakan dalam sel litium melibatkan larutan pepejal litium dalam salah satu bentuk karbon. Sel litium yang beroperasi pada suhu di atas takat lebur litium mestilah menggunakan aloi dan bukannya litium unsur. Ini biasanya fasa logam binari atau ternari. Terdapat juga peningkatan minat semasa dalam kemungkinan penggunaan aloi logam dan bukannya karbon pada suhu ambien, dengan matlamat untuk mengurangkan jumlah elektrod, serta mencapai kapasiti meningkat dengan ketara. [Robert A. Huggins, Bateri Termaju, Aspek Sains Bahan, Springer, New York, 2009, p.123].

Grafit adalah amfoterik, dan sama ada kation atau anion boleh dimasukkan ke dalamnya di antara lapisan graphene. Apabila kation dimasukkan, struktur grafit perumah mengambil cas negatif. Contoh kation ialah Li + , K + , Rb + , dan Cs + . Apabila anion dimasukkan, struktur grafit perumah mengambil cas positif, dan contoh anion ialah Br ,SO2 , SbF6

Kemasukan logam alkali ke dalam karbon pertama kali ditunjukkan pada tahun 1926 [K. Fredenhagen dan G. Cadenbach, Z. Anorg. Allg. Kimia. 158, 249 (1926)] dan sintesis kimia litium-karbon telah ditunjukkan pada tahun 1955 [ D. Guerard, A. Herold, Carbon 13, 337 (1975 )]. X-ray Eksperimen spektroskopi pembebasan foto menunjukkan bahawa litium yang dimasukkan menyerahkan elektronnya kepada karbon, dan oleh itu struktur boleh dilihat sebagai ion Li + yang terkandung di antara lapisan karbon struktur grafit.

[GK Wertheim, PMTh.M. Van Attekum dan S. Basu, Solid State Commun. 33, 1127 (1980)]. Tinjauan umum kerja awal mengenai penyisipan spesies ke dalam grafit boleh didapati di
[LB Ebert, Sebatian Interkalasi Grafit, dalam Kajian Tahunan Sains Bahan,
Vol. 6, ed. oleh RA Huggins, Ulasan Tahunan, Palo Alto, CA (1976), hlm. 181].

Faktor penting dalam ketulenan bahan anod ialah keperluan untuk menghapuskan sebarang spesies yang mengandungi oksigen di permukaan kerana ini akan bertindak balas dengan elektrolit. Untuk mengelakkan tindak balas ini, pengeluar membakar grafit pada suhu 1100ºC) dalam atmosfera berkurangan atau lengai. Ini meningkatkan kos untuk kegunaan lain, berbanding grafit. Karbon (90%) dicampur dengan beberapa bahan lain untuk membuat pes atau buburan anod. Seperti katod, polyvinylidene fluoride (PVDF) digunakan sebagai pengikat (-5%), dan sejumlah kecil karbon hitam ditambah untuk memastikan kekonduksian. Selain itu, n-metil pirolidon (NMP) digunakan untuk melarutkan bahan untuk membentuk campuran seragam. Tekanan memastikan saiz butiran seragam (Sandi 1999).

Lithium titanate (LTO) semakin diminati. Sel LTO beroperasi pada suhu yang lebih rendah daripada kimia lain dan menawarkan ketumpatan kuasa tinggi. Walau bagaimanapun, sel-sel tersebut mengalami voltan nominal yang lebih rendah, dalam julat kira-kira 2.2-2.3 V setiap sel. [Norio Takami, Hiroki Inagaki, Yoshinao Tatebayashi, Hidesato Saruwatari, Keizoh Honda, Shun Egusa, J Power Sources 244 (2013) 469-475]

Bahan elektrod, biasanya grafit, mengembang sebanyak 10% semasa proses pengecasan. Grafit mendapat semula isipadu asalnya apabila ion litium ternyahinterkalasi. Ion litium bukan sahaja akan diselitkan ke dalam grafit jika aluminium digunakan tetapi juga dimasukkan ke dalam konduktor, dengan itu membentuk aloi aluminium-lithium. Proses sebaliknya akan berlaku semasa nyahcas. Aluminium akan terdegradasi selepas beberapa kitaran dan tidak berguna sebagai pengumpul semasa.

Walau bagaimanapun, jika elektrod negatif dibuat daripada litium titanat dan bukannya grafit, keadaan berubah secara mendadak. Keupayaan elektrod Li 4 Ti 5 O 12 adalah kira-kira 1.4 V lebih tinggi daripada grafit (voltan sel adalah sekitar 1.4 V lebih rendah, 2.2 V berbanding 3.6 V). Ini akan menghalang ion litium daripada diselitkan ke dalam aluminium. Oleh itu, aluminium diutamakan berbanding tembaga atas sebab berkaitan kos dan berat. Li 4 Ti 5 O 12 digunakan terutamanya dalam aplikasi pegun kerana voltan selnya yang lebih rendah. [ Călin Wurm et al., dalam Lithium-Ion Batteries, Reiner Korthauer (ed), Diterjemah oleh Michael Wuest et.al., Springer, 2018. ms 57 ].

Proses untuk menghasilkan litium titanat: Campuran titanium dioksida dan sebatian litium (mana-mana satu daripada ini: litium karbonat, litium hidroksida, litium nitrat dan litium oksida) dipra-sinter pada suhu antara 670°C dan 800°C . Sebatian yang terdiri daripada TiO 2 , dan Li 2 TiO 3 atau sebatian yang terdiri daripada TiO 2 , Li 2 TiO 3 , dan Li 4 Ti 5 O 12 diperolehi. Sebatian itu kemudiannya disinter pada suhu dalam julat 800 hingga 950°C. [Tetsuya Yamawaki et.al., Paten AS 6,645,673 B2, 2003 Ditugaskan kepada Toho Titanium Co., Ltd., Chigasaki]

Bateri Boleh Dicas Semula SCiB™ Toshiba (https://www.scib.jp/en/)
SCiB™ menggunakan litium titanium oksida (LTO) dalam anodnya untuk mencapai keselamatan, jangka hayat, prestasi suhu rendah, pengecasan pantas, kuasa input/output tinggi dan kapasiti berkesan yang besar. SCiB™ telah menemui aplikasi yang meluas dalam aplikasi kenderaan, perindustrian dan infrastruktur, termasuk kereta, bas, kereta api, lif dan loji kuasa.

Pengeluaran pemisah bateri ion litium

Terdapat dua jenis proses: basah dan kering. Pengilang Jepun menggunakan proses basah di mana polimer dibubarkan dalam minyak. Minyak kemudiannya disejat untuk meninggalkan filem berliang. Mereka menggunakan polimer dengan berat molekul ultratinggi untuk menghasilkan Celgard, tiga lapisan filem polimer yang ditiup dilaminasi, ditarik ke bawah, dan disepuhlindapkan di bawah takat lebur untuk mengawal struktur polimer. Lembaran itu kemudian diregangkan dengan cepat untuk mendapatkan keliangan.

Terdapat dua jenis proses: basah dan kering. Pengilang Jepun menggunakan proses basah di mana polimer dibubarkan dalam minyak. Minyak kemudiannya disejat untuk meninggalkan filem berliang. Mereka menggunakan polimer dengan berat molekul ultratinggi untuk menghasilkan Celgard, tiga lapisan filem polimer yang ditiup dilaminasi, ditarik ke bawah, dan disepuhlindapkan di bawah takat lebur untuk mengawal struktur polimer. Lembaran itu kemudian diregangkan dengan cepat untuk mendapatkan keliangan.

[Pekala, RW, et al., 2000, “Pemisah: Peluang yang Diabaikan untuk Meningkatkan Prestasi Bateri?,” Seminar dan Pameran Antarabangsa ke-17 mengenai Bateri Utama dan Menengah, Ft. Lauderdale, Fla., 6-9 Mac]

Proses ini sangat sensitif kepada keadaan operasi dan malah berbeza-beza mengikut kelompok bahan, jadi kawalan berhati-hati adalah perlu [Linda Gaines dan Roy Cuenca, Kos bateri Litium ion untuk Kenderaan, Laporan ANL ANL/ESD-42, Mei 2000, ms 20 ] .

Walau bagaimanapun, ketebalan tambahan yang diperlukan dalam pemisah untuk sel EV/HEV mengimbangi kekuatan yang berkurangan. [Y. Nishi, dalam: M. Wakihara, O. Yamamoto (Eds.), Bateri Lithium Ion, Wiley/VCH/Kodansha, Tokyo, 1998, hlm. 195.
P. Arora, Z. Zhang, Chem. Wahyu 104 (2004) 4419].

Sebagai tambahan kepada ciri-ciri konvensional seperti kekuatan mekanikal yang baik, kebolehtelapan elektrolit, pemisah berliang mikro ini memaparkan sifat perlindungan semasa penyalahgunaan sel. Contohnya, jika suhu sel meningkat secara tidak normal kerana cas berlebihan yang berlebihan, contohnya, haba yang dijana melembutkan PE dan menutup liang mikro dalam filem. Ini dipanggil “penutupan” pemisah. Setelah penutupan berlaku, pengangkutan ionik antara elektrod dihentikan dengan berkesan dan arus berhenti mengalir. Jika pemisah boleh mengekalkan integriti mekanikal melebihi suhu penutupannya, ia boleh memberikan margin keselamatan kepada peranti; jika tidak, elektrod boleh bersentuhan langsung, bertindak balas secara kimia, membawa kepada pelarian haba.

Walau bagaimanapun, ada kemungkinan bahawa disebabkan oleh inersia haba suhu boleh terus meningkat walaupun selepas ditutup. Di bawah keadaan sedemikian pemisah akan mencairkan dan memendekkan elektrod, yang membawa kepada tindak balas ganas dan penjanaan haba. Fenomena ini dipanggil “keleburan” atau “pecahan” pemisah. Oleh itu, untuk memastikan keselamatan sel, perbezaan antara suhu “penutupan” dan “pencairan” haruslah sebesar mungkin.

Pemisah yang diperbuat sepenuhnya daripada polietilena berketumpatan tinggi cair pada 135°C dan kehilangan integriti mekanikal melebihi suhu ini. Walau bagaimanapun, pemisah yang dibuat dengan melamina lapisan polipropilena dan polietilena mengekalkan integriti mekanikal sekurang-kurangnya sehingga 165°C, takat lebur polipropilena. Adalah menarik untuk ambil perhatian bahawa walaupun polietilena berat molekul ultratinggi cair pada 135°C, pemisah yang diperbuat daripada bahan ini mengekalkan integriti mekanikalnya sehingga sekurang-kurangnya 180°C kerana kelikatan bahan adalah sedemikian rupa sehingga ia mengekalkan integriti fizikal.

Pemisah penutup boleh dipercayai dan pengeluar bateri litium-ion semakin memilih untuk digabungkan dalam produk mereka. Pemisah penutupan yang paling biasa mempunyai polipropilena berat molekul tinggi yang diadun dengan polietilena berat molekul super tinggi. Di sini, sifat penutupan unik polietilena digabungkan dengan baik dengan integriti mekanikal polipropilena yang tinggi pada suhu tinggi. Oleh kerana penutupan tidak dapat dipulihkan, setelah digerakkan, pemisah ini meninggalkan sel rosak secara kekal. [PG Balakrishnan, R. Ramesh, T. Prem Kumar , J. Sumber Kuasa. 155 (2006) 401–414]

Bahan lain dalam bateri Litium ion

Terdapat bahan lain seperti pengumpul semasa seperti aluminium, nikel dan kerajang kuprum , pengikat seperti s tyrene-butadiena copolymer (SBR), dan p olyvinylidene fluoride (PVDF), elektrolit dan pelarut, aditif konduktif katod, pemisah.

Kelebihan & Had Bateri Litium-ion - Pembuatan sel ion litium

Nisbah berat anod kepada katod

Adalah sangat penting bahawa tiada logam litium terbentuk semasa operasi sel. Pemendapan logam membentuk dendrit yang memendekkan sel secara dalaman. Kawalan voltan semasa pengecasan dan keseimbangan sel membantu mengurangkan masalah ini ke tahap yang sangat besar. Kaedah utama untuk mengawal pemendapan litium ialah nisbah anod kepada kapasiti katod bagi plat individu dalam sel. Elektrod anod mempunyai kapasiti boleh guna kira-kira 10% lebih tinggi daripada katod. Ini menghalang pemendapan logam litium pada anod semasa pengecasan, kerana katod menentukan kapasiti sel. Jika logam litium mendapan pada permukaan elektrod, ia bertindak balas dengan elektrolit dan boleh memulakan pelarian haba.

Figure-xx-Anode-and-cathode-capacity-ratio-in-Li-ion-cell.jpg

Rajah 21. Nisbah kapasiti anod dan katod dalam sel ion Litium

( Kredit: Ralph J. Brodd dan Kazuo Tagawa, dalam Advances in Lithium-Ion Batteries, Walter A. van Schalkwijk dan Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, hlm. 272, 2002.)

Proses pemasangan sel ion litium

Proses pemasangan sel untuk bateri ion Litium memerlukan ketepatan dan ketepatan apabila menyalut stok elektrod positif dan negatif yang disalut dengan bahan aktif. Proses salutan adalah elemen kritikal dalam memastikan produk berkapasiti tinggi, kebolehpercayaan tinggi. Jika salutan tidak berkualiti hanya bateri berprestasi rendah akan dihasilkan. Langkah awal dalam penyediaan jisim aktif menentukan hasilnya.

Cohen dan Gutoff [E. Cohen dan E. Gutoff, Teknologi Salutan dan Pengeringan Moden, Wiley-VCH,

New York, 1992] menerangkan metodologi untuk mendapatkan teknik salutan terbaik untuk aplikasi tertentu, berdasarkan reologi buburan salutan, ketepatan dan kelajuan salutan yang diperlukan.

Figure-xx-Anode-and-cathode-coating-process.jpg

Rajah 22. Proses salutan anod dan katod

( Kredit: Ralph J. Brodd dan Kazuo Tagawain dalam Kemajuan dalam Bateri Lithium-Ion, Walter A. van Schalkwijk dan Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, ms. 273, 2002.)

Carta alir untuk pembuatan bateri Litium ion

Manufacturing-flowchart-of-lithium-ion-battery.jpg

Rajah 23. CARTA ALIRAN UNTUK PEMBUATAN SEL ION LITHIUM

[Ralph J. Brodd dan Kazuo Tagawa dalam Kemajuan dalam Bateri Lithium-Ion, Walter A. van Schalkwijk dan Bruno Scrosati (Eds.), Penerbit Akademik Kluwer, New York, hlm. 271, 2002.]

Figure-xx-Flow-chart-for-manufacture-of-electrodes-from-raw-materials.jpg

Kredit: Electropedia https: //www.mpoweruk.com/battery_manufacturing.htm

Rajah 24. Carta alir untuk pembuatan elektrod daripada bahan mentah

Pemasangan sel ion litium

Flowchart-for-cell-assembly.jpg
Kredit: Electropedia. https://www.mpoweruk .com/battery_manufacturing.htm Rajah 25. Carta alir daripada pemasangan sel kepada penghantaran untuk sel prismatik dan silinder
Figure-xx-Prismatic-Li-ion-cell-manufacture.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–Part-2.jpg
Figure-xx-Cylindrical-Li-ion-cell-manufacture-–-Part-1.jpg

Pengeluar bateri Litium ion menyasarkan pada titik berikut semasa memasang sel:

  • Reka bentuk untuk sel ion Litium mesti menghasilkan ketumpatan arus seragam di seluruh kawasan elektrod.
  • Untuk memastikan sentuhan yang baik antara bahan aktif (AM) dan pengumpul semasa
  • Elektrod kawasan permukaan yang besar digunakan untuk memberikan sel prestasi kadar tinggi. Ini mengurangkan polarisasi, iaitu, kehilangan voltan disebabkan oleh kinetik tindak balas elektrod dan menurunkan penurunan voltan merentasi pemisah.

Struktur liang dan gabungan karbon konduktif memberikan sentuhan antara zarah bahan aktif yang baik.

Sentuhan yang baik adalah penting antara bahan aktif, karbon konduktif dan pengumpul semasa , untuk penggunaan penuh bahan aktif dan untuk kecekapan yang baik semasa prestasi kadar tinggi.

Campuran katod kobalt disediakan daripada LiCoO2 (serbuk hitam) + pengikat PVdF (separa kristal fluoropolimer termoplastik putih) + N-metil pirolidon (NMP, cecair organik tidak berwarna) sebagai pelarut. LICoO2 sebagai bukan konduktif, pelarut konduktif, selalunya karbon hitam, ditambah untuk meningkatkan kekonduksian LiCoO2.

Nisbah dan jumlah bahan ditentukan oleh reka bentuk sel dan saiz pengadun. Prosedur pencampuran intensif digunakan untuk mengeringkan campuran bahan aktif tidak konduktif dan karbon sebelum menambah pelarut dan pengikat salutan.

Campuran diadun kering untuk memberikan salutan seragam bagi zarah bahan aktif dengan filem nipis karbon konduktif supaya sentuhan elektrik antara AM dan grid pengumpul semasa (kerajang aluminium, ketebalan 20 mm) bertambah baik, sekali gus memastikan penggunaan penuh semua AM. NMP polimer dilarutkan dalam pelarut salutan dalam bekas yang berasingan. Campuran campuran kering dan larutan pelarut kemudiannya digabungkan untuk membentuk buburan.

Penambahan pelarut digunakan untuk melaraskan kelikatan buburan (atau cat) untuk operasi salutan . Polyvinylenedifluoride (PVdF) adalah pengikat pilihan dan pelarut ialah N-methylpyrollidinone (NMP). Buburan daripada operasi pencampuran diletakkan dalam bekas tertutup, yang berfungsi sebagai takungan dan media pemindahan untuk operasi salutan. Jumlah buburan salutan yang tepat dipam dari bekas penyimpanan dengan pam gear, atau pam ketepatan yang serupa, untuk mengelakkan sebarang kemasukan udara dalam bendalir pergi ke kepala salutan.

Campuran anod disediakan dengan cara yang sama dengan karbon keras, pengikat PVdF dan NMP. Campuran ini disalut pada kerajang kuprum yang digunakan sebagai grid (ketebalan 10 mm).

Salutan dilakukan pada kedua-dua belah dengan ketebalan kira-kira 100 mm untuk kedua-dua anod dan katod. Dengan mengurangkan ketebalan salutan, peningkatan dalam jumlah luas permukaan dicapai untuk isipadu sel yang pasti. Elektrolit organik yang digunakan mempunyai kekonduksian yang lebih rendah berbanding dengan yang berair dan oleh itu luas permukaan yang lebih tinggi ini akan memudahkan sel nyahcas kuasa tinggi.

Ketebalan elektrod bergantung pada kuasa maksimum yang diperlukan. Ciri unik teknologi pembuatan bateri Litium ion ialah ia membenarkan pelbagai reka bentuk nisbah kuasa/tenaga dengan teknologi pembuatan elektrod yang sama [Broussely, Nazri ms 651]. Tetapi koleksi semasa yang sesuai dan tabbing, bentuk sel dan reka bentuk adalah penting.

Pemasangan Sel: Kerajang bersalut melalui ketuhar untuk menyejat pelarut dan meninggalkan jumlah jisim aktif yang tepat pada kerajang. Banyak pelarut salutan dikelaskan sebagai berbahaya dan tidak boleh dilepaskan ke atmosfera. Sebagai langkah penjimatan kos, pelarut biasanya dipulihkan untuk digunakan semula dalam proses. Untuk mengelakkan sebarang pencemaran alam sekitar, pelarut boleh dibakar.

Kebanyakan sel ion Litium berbentuk silinder. Gulungan jeli diratakan untuk mendapatkan unsur sel prismatik .

Sel prismatik sesuai untuk pengisian volum yang lebih baik, tetapi bertanggungjawab untuk membonjol semasa berbasikal atau penuaan. Tin sel silinder menawarkan kekuatan mekanikal yang lebih baik, kestabilan dimensi yang baik dan tekanan seragam dalam unsur-unsur.

Operasi salutan menghasilkan salutan terputus untuk memadankan panjang gegelung. Mesin penggulungan direka bentuk untuk beroperasi secara automatik untuk digunakan dengan gulungan jumbo kering katod dan anod dan pemisah (ketebalan 25mm atau kurang, sama ada PP atau PE atau bercampur).

Operasi bermula dengan mengimpal tab pada bahagian kerajang yang tidak bersalut. Mesin penggulungan kemudiannya memotong jalur ke panjang yang betul dan menggulung gabungan anod-pemisah-katod menjadi gegelung atau gelendong yang ketat dalam fesyen jellyroll. Apabila teras luka bertambah diameter, mesin penggulungan secara automatik mengimbangi untuk mengekalkan ketegangan berterusan apabila gegelung bertambah diameter untuk toleransi rapat pada diameter. Angin elips untuk sel prismatik adalah proses yang lebih kompleks dan lebih perlahan.

Selepas penggulungan, gegelung diperiksa untuk seluar pendek dalaman sebelum dimasukkan ke dalam tin. Tin keluli hendaklah bersih dan bersalut nikel untuk menyediakan permukaan yang stabil dan meminimumkan kakisan tin sebelum pemasangan sel. Plumbum anod dikimpal ke bahagian bawah tin dan plumbum katod dikimpal pada bolong keselamatan. Elektrolit ditambah kepada sel separuh terpasang. Pemasangan selesai dengan pengeliman penutup atas.

Penolakan awal kemungkinan kerosakan sel adalah langkah ekonomi dan menghalang lebih banyak kerja pada sel jahat. Bobbin dimasukkan ke dalam tin supaya tin memberikan tekanan berterusan untuk memegang komponen elemen rapat, sekali gus menghapuskan sebarang peluang lompang di antara mereka. Sesetengah pengeluar boleh memasukkan mandrel untuk menstabilkan bahagian tengah gegelung.

Melainkan semua operasi dijalankan di dalam bilik kering atau kotak kering , air yang diserap dalam bahan aktif mesti dikeluarkan dengan haba dan vakum sebelum proses pengisian elektrolit.

Pengisian vakum ketepatan elektrolit dilakukan untuk memastikan bahawa elektrolit meresap dan mengisi sepenuhnya keliangan yang ada dalam pemisah dan struktur elektrod. Pam ketepatan mengukur jumlah terkira elektrolit yang diperlukan untuk operasi sel yang baik. Selalunya semua pengeluar menggunakan LiPF 6 (sebatian kristal putih tak organik) sebagai elektrolit dan kitaran (EC, etilena karbonat) atau karbonat linear (DMC, dimetil karbonat, DEC, dietil karbonat, atau EMC, etil-metil karbonat, dll.) adalah pelarut untuk garam elektrolit ini.

Elektrolit berasaskan campuran pelarut etilena karbonat (EC) dengan dimetil karbonat (DMC) dan/atau dietil karbonat (DEC) biasanya digunakan untuk bateri litium ion dalam kombinasi dengan katod “4 V” (kobaltat, nikel dan manganat) kerana potensi pengoksidaan yang tinggi bagi pelarut.

Selepas mengisi sel dengan elektrolit, sel dimeterai dengan mampatan terkawal gasket polimer atau grommet yang diletakkan di antara tin sel dan plat atas. Tekanan pada pengedap gasket polimer dikawal untuk mengekalkannya dalam had keanjalan polimer. Jika had keanjalan melebihi, sejuk polimer mengalir dan menjejaskan pengedap.

Setiap pengilang menggunakan pembinaan mekanikal yang agak berbeza untuk mengelak sel tetapi hasil akhir pada dasarnya adalah sama. Biasanya, bahu atau tebing terbentuk berhampiran bahagian atas sel. Ini berfungsi sebagai asas untuk pengedap dan untuk menahan jellyroll pada tempatnya dan menghalang teleskop atau menukar kedudukan gelendong luka di bawah pengaruh getaran dan kejutan.

Sebarang anjakan dalam kedudukan menyebabkan perubahan dalam pengedaran semasa dan mengakibatkan hayat kitaran yang lemah atau penyaduran litium dalam sel berprestasi tinggi. Pengedap plat atas sel mengandungi bolong, elemen pekali suhu positif (PTC) dan peranti keselamatan gangguan semasa (CID). Kedua-dua CID dan PTC ialah peranti keselamatan yang direka untuk mengaktifkan dan menghalang suhu dan tekanan berbahaya daripada berkembang di dalam sel. Setiap lot peranti diperiksa untuk operasi yang betul sebelum dimasukkan ke dalam pemasangan teratas.

Selepas meterai digunakan, sel boleh dibasuh, dijaket dan dilabel. Mereka diberi nombor siri untuk mengesan hari pembuatan dan untuk mengenal pasti semua komponen sel (bahan elektrod, elektrolit, pemisah dan seumpamanya). Maklumat tentang kapasiti dan voltan disimpan dengan nombor sel dan digunakan kemudian untuk memadankan sel untuk pemasangan pek.

Sel-sel boleh dikimpal dengan laser dengan pengedap kaca ke logam untuk memberikan pengedap hermetik yang tahan lama. Dengan sel yang lebih besar, penjagaan yang lebih besar mesti dilakukan untuk memastikan operasi yang selamat, walaupun dalam keadaan penyalahgunaan.
Walaupun proses, di atas, digambarkan untuk sel tertutup kecil yang digunakan dalam elektronik mudah alih, proses untuk bateri industri yang lebih besar untuk penyimpanan tenaga, ruang dan aplikasi EV mengikut garis besar umum yang sama.

Bateri litium ion - Pembentukan dan penuaan

Semasa dipasang, ion Li tidak didopkan ke dalam karbon anod dan oleh itu sel tidak menunjukkan voltan. Semasa pengecasan awal, sebahagian daripada ion Li daripada PAM LiCoO 2 dinyahdopkan menjadi Li 1-x CoO 2 dan ion Litium ini didopkan ke dalam anod karbon (C y ) untuk menjadi Li x C y . Apabila voltan pengecasan mencapai 4.1 hingga 4.2 V, nilai x ialah kira-kira 0.5. (iaitu, 50 %) menunjukkan bahawa 50 % Li daripada LiCoO 2 telah digunakan.

Aspek lain yang perlu diberi perhatian ialah sebahagian daripada ion Litium yang didop tidak kembali dan kekal dalam anod. di mana, x-dx ion Litium kekal tanpa menyumbang kepada kapasiti. Ini adalah kira-kira 10 hingga 20% litium tidak boleh balik, yang bermaksud bahawa kecekapan cas awal ialah 80 hingga 90%. Daripada kitaran kedua, jumlah tak boleh balik tidak meningkat dan sel menunjukkan kapasiti 100% yang direka oleh pengilang.

Selepas mencuci dan memakai jaket, tetapi sebelum permulaan proses pembentukan, voltan dan impedans semua sel direkodkan untuk menyelesaikan sebarang sel yang rosak. Sel-sel kemudiannya dicas buat kali pertama

(pengecasan awal atau pengecasan pembentukan). Syarat caj pertama adalah penting untuk sekurang-kurangnya dua sebab:

1) lapisan interphase elektrolit pepejal (SEI) terbentuk pada anod untuk melindunginya daripada bertindak balas secara spontan dengan elektrolit semasa operasi sel normal, dan 2) ia mewujudkan sentuhan elektrik yang baik antara bahan aktif dan elektrolit. Caj pertama mengikut prosedur yang disyorkan pengilang untuk mengecas sel tetapi selalunya bermula pada arus yang lebih rendah dan kemudian meningkat kepada arus pengecasan biasa pada kira-kira satu pertiga daripada tempoh pengecasan. Sel boleh meneruskan kitaran dalam had voltan untuk cas dan nyahcas untuk satu atau dua kitaran lagi selepas pembentukan.

Selepas pembentukan atau berbasikal, voltan dan kapasiti sel diukur dan disimpan untuk kegunaan kemudian dalam proses pemilihan sel . Tempoh penuaan berbeza antara dua minggu dan satu bulan, bergantung kepada pengilang. Voltan sel diukur semula selepas penyimpanan. Perbezaan voltan pada permulaan dan akhir tempoh penyimpanan digunakan untuk menyusun sel dengan seluar pendek “lembut-” atau “mikro-“. Sel dengan seluar pendek dalaman akan mempunyai voltan yang lebih rendah selepas penyimpanan dan memisahkan diri daripada voltan dan taburan kapasiti biasa. Ia mungkin perlu untuk mengosongkan sel yang lebih besar selepas pembentukan untuk mengeluarkan gas pembentukan.

Untuk penerangan terperinci tentang proses pemasangan, pembaca dirujuk

  • Kaoru Nakajima dan Yoshio Nishi Bab 5 dalam: Sistem Penyimpanan Tenaga untuk Elektronik, Ed Tetsuya Osaka dan Madhav Datta, Gordon dan Reach Science Publishers, Amsterdam, 2000.
  • Proses Pengeluaran Sel Litium-Ion, Ralph J. Brodd dan Kazuo Tagawa, Bab 9 dalam: Kemajuan dalam Bateri Litium-Ion, Walter A. van Schalkwijk dan Bruno Scrosati (Eds), Kluwer Academic Publishers, New York, ms 273, 2002 .
  • Bateri Litium, Sains dan Teknologi, ed. oleh GA Nazri dan G. Pistoia, Springer, New York, 2009.
  • Bateri Litium-Ion, Reiner Korthauer (ed) (2018), Diterjemah oleh Michael Wuest et.al., Springer, 2018.
  • Kazuo Tagawa dan Ralph J. Brodd, Proses Pengeluaran untuk Pembuatan Bateri Litium-Ion dalam Bateri Litium-Ion, Yoshio M., Brodd RJ, Kozawa A. (eds) Springer, New York, NY. https: //doi.org/10.1007/978-0-387-34445-4_8]
  • Zhang Z., Ramadass P. (2012) Sistem dan Teknologi Bateri Litium-Ion. Dalam: Meyers RA (ed) Ensiklopedia Sains dan Teknologi Kelestarian. Springer, New York. https: //doi.org/10.1007/978-1-4419-0851-3_663
  • Buku Panduan Kimia Reka Bentuk Pek Bateri Litium-Ion, Komponen, Jenis dan Terminologi, John Warner, Elsevier, 2018

Please share if you liked this article!

Did you like this article? Any errors? Can you help us improve this article & add some points we missed?

Please email us at webmaster @ microtexindia. com

On Key

Hand picked articles for you!

Apakah itu Bateri VRLA?

Apakah itu Bateri VRLA?

Apakah bateri VRLA? Bateri Asid Plumbum Terkawal Injap (VRLA) hanyalah bateri asid plumbum di mana elektrolitnya telah dialihkan untuk menggabungkan semula hidrogen dan oksigen. Ia

Bateri Microtex AGM Vs Gel

AGM lwn Bateri Gel

AGM lwn Bateri Gel untuk Suria Apakah Bateri Gel dan bagaimana ia berbeza daripada Bateri AGM VRLA? Anda mungkin berpendapat bahawa tidak banyak yang perlu

Bateri Keadaan Pepejal

Apakah bateri keadaan pepejal?

Pengenalan bateri keadaan pepejal Dalam bateri, ion positif bergerak antara elektrod negatif dan positif melalui konduktor ion dan menghantar elektron untuk menghasilkan arus elektrik. Dalam

Saiz Bateri

Saiz Bateri bagi bateri asid plumbum

Bagaimanakah saiz bateri dilakukan untuk aplikasi tertentu? Penggunaan bekalan tenaga luar grid solar menjadi semakin popular untuk aplikasi domestik, perindustrian dan perbandaran. Disebabkan oleh sifat

Sertai Surat Berita kami!

Sertai senarai mel kami yang terdiri daripada 8890 orang hebat yang mengikuti perkembangan terkini kami tentang teknologi bateri

Baca Dasar Privasi kami di sini – Kami berjanji tidak akan berkongsi e-mel anda dengan sesiapa & kami tidak akan menghantar spam kepada anda. Anda boleh berhenti melanggan pada bila-bila masa.

Do you want a quick quotation for your battery?

Please share your email or mobile to reach you.

We promise to give you the price in a few minutes

(during IST working hours).

You can also speak with our VP of Sales, Balraj on +919902030022