Le batterie al litio sono un nuovo tipo di batteria ad alta energia sviluppata con successo nel 20 ° secolo. Possono essere intesi come batterie contenenti elementi di litio (tra cui litio metallico, leghe di litio, ioni di litio e polimeri di litio). Possono essere divisi in batterie in metallo al litio (raramente prodotte e utilizzate) e batterie a ioni di litio (ora utilizzate in grandi quantità). A causa dei suoi vantaggi come energia elevata specifica, alta tensione della batteria, ampia gamma di temperature operative e lunga durata di conservazione, sono stati ampiamente utilizzati in piccoli elettrodomestici militari e civili, come telefoni cellulari, computer portatili, videocamere, telecamere, ecc., Parzialmente in sostituzione di batterie tradizionali.
Origine e sviluppo di batterie agli ioni di litio
- Negli anni '70, la signora Whittingham di Exxon usò il solfuro di titanio come materiale dell'elettrodo positivo e litio metallico come materiale elettrodo negativo per creare la prima batteria al litio.
- Nel 1980, J. Goodenough scoprì che l'ossido di cobalto di litio può essere usato come materiale elettrodo positivo delle batterie agli ioni di litio.
- Nel 1982, Rragarwal e Jrsselman dell'Illinois Institute of Technology hanno scoperto che gli ioni di litio hanno la proprietà di essere incorporati in grafite e questo processo è veloce e reversibile. Allo stesso tempo, i pericoli per la sicurezza delle batterie al litio realizzate di litio metallico hanno attirato molta attenzione, quindi le persone hanno cercato di usare le proprietà degli ioni di litio incorporati in grafite per produrre batterie ricaricabili. Il primo elettrodo di grafite agli ioni di litio utilizzabile è stato prodotto con successo da Bell Laboratories.
- Nel 1983, M.Thackeray, J.Goodenough e altri hanno scoperto che lo spinello di manganese è un eccellente materiale elettrodo positivo a basso prezzo, stabilità e eccellente conducibilità elettrica e litio. Ha una temperatura di decomposizione elevata e la sua ossidizzabilità è molto inferiore a quella dell'ossido di cobalto di litio. Anche se si verificano corto circuito o sovraccarico, può evitare il pericolo di combustione e esplosione.
- Nel 1989, A.manthiram e J.Goodenough hanno scoperto che l'elettrodo positivo che utilizza anioni polimerizzati produrrà una tensione più elevata.
- Nel 1991, Sony ha rilasciato la prima batteria agli ioni di litio commerciale. Successivamente, le batterie agli ioni di litio hanno rivoluzionato l'aspetto dell'elettronica di consumo.
- Nel 1996, Padhi e Goodenough hanno scoperto che i fosfati con strutture di olivina, come il fosfato di ferro al litio (LifePO4), sono superiori ai tradizionali materiali di elettrodi positivi e sono quindi diventati gli attuali materiali elettrodi positivi tradizionali.
Le batterie agli ioni di litio (batterie agli ioni di litio) sono sviluppate da batterie al litio. Quindi, prima di introdurre Li-ion, introduciamo prima batterie al litio. Ad esempio, le batterie a bottone appartengono alle batterie al litio. Il materiale dell'elettrodo positivo delle batterie al litio è il biossido di manganese o il tionil cloruro e l'elettrodo negativo è al litio. Dopo che la batteria è stata assemblata, la batteria ha tensione e non deve essere caricata. Questo tipo di batteria può anche essere caricato, ma le prestazioni del ciclo non sono buone. Durante il ciclo di carica e scarica, i dendriti di litio si formano facilmente, causando cortocircuiti interni nella batteria, quindi in circostanze normali, questo tipo di batteria è vietato essere caricato.
Successivamente, la Sony Corporation del Giappone ha inventato una batteria al litio con materiale di carbonio come elettrodo negativo e composti contenenti al litio come elettrodo positivo. Durante la carica e il processo di scarico, non esiste un litio metallico, solo ioni di litio. Questa è una batteria agli ioni di litio.
All'inizio degli anni '90, la Sony Energy Development Company del Giappone e della Moli Energy Company del Canada ha sviluppato rispettivamente un nuovo tipo di batteria agli ioni di litio, che non solo ha buone prestazioni ma è anche rispettoso dell'ambiente. Con il rapido sviluppo della tecnologia dell'informazione, macchinari portatili e veicoli elettrici, la domanda di fonti di alimentazione ad alta efficienza è aumentata drammaticamente e le batterie al litio sono diventate uno dei campi in più rapida crescita.
Struttura e principio delle batterie agli ioni di litio
(1) Componenti principali delle batterie agli ioni di litio:
① Elettrodo positivo - Materiali attivi si riferiscono principalmente all'ossido di cobalto di litio, ossido di manganese al litio, fosfato di ferro al litio, ossido di nichel di litio, ossido di manganese cobalto di nichel, ecc. Il collettore di corrente conduttivo generalmente usa un foglio di alluminio con uno spessore di {1}} micron;
② Diaframma - Un film di plastica speciale che consente agli ioni di litio di passare attraverso, ma è un isolante per gli elettroni. Attualmente, ci sono principalmente due tipi: PE e PP e le loro combinazioni. Esiste anche un tipo di diaframma solido inorganico, come il rivestimento diaframma di allumina, che è un diaframma solido inorganico;
③ Elettrodo negativo: il materiale attivo si riferisce principalmente a materiali di grafite, titanata di litio o carbonio con una struttura simile alla grafite. Il collettore di corrente conduttivo generalmente utilizza un foglio di rame con uno spessore di 7-15 micron;
④ Elettrolita - Generalmente un sistema organico, come solventi carbonati disciolti con esafluorofosfato di litio e alcune batterie polimeriche utilizzano elettroliti in gel;
⑤ Shell della batteria: principalmente diviso in guscio duro (guscio d'acciaio, guscio di alluminio, guscio di ferro nichelato, ecc.) E pacchetto morbido (pellicola di plastica in alluminio).
Quando viene caricata la batteria, gli ioni di litio vengono deintercalati dall'elettrodo positivo e incorporati nell'elettrodo negativo e viceversa durante la scarica. Ciò richiede che un elettrodo sia in uno stato intercalato al litio prima dell'assemblaggio. Generalmente, gli ossidi di metallo di transizione intercalati al litio con un potenziale maggiore di 3 V rispetto al litio e stabili nell'aria sono selezionati come elettrodi positivi, come LICOO2, Linio2 e Limn2O4.
Come materiale elettrodo negativo, vengono selezionati i composti incorporabili al litio con un potenziale più vicino al potenziale di litio, come vari materiali di carbonio tra cui grafite naturale, grafite sintetica, fibra di carbonio, sferulite mesofase, ecc. E ossidi di metallo, tra cui sno, sno2, sno2, oxide di stagno Snbxpyoz (x {2}. 4 {4}. y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2), ecc.
L'elettrolita adotta un sistema di solventi misti di carbonati alchil come etitilene carbonato (EC), carbonato di propilene (PC) e dietil carbonato a bassa viscosità (DEC) di LIPF6.
Il diaframma adotta membrane microporose in poliolefina come PE, PP o le loro membrane composite, in particolare il diaframma a tre strati PP\/PE\/PP, che non solo ha un punto di fusione basso, ma ha anche un'alta resistenza alla puntura, che svolge un ruolo di assicurazione termica.
Il guscio è realizzato in acciaio o alluminio e il gruppo di copertura ha la funzione di potenziamento a prova di esplosione.
(2) Principio di lavoro di base
Quando si caricano la batteria, gli ioni di litio vengono rilasciati dal composto contenente al litio nell'elettrodo positivo e gli ioni di litio si spostano sull'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita. Il materiale di carbonio nell'elettrodo negativo ha una struttura a strati con molti micropori. Gli ioni di litio che raggiungono l'elettrodo negativo sono incorporati nei micropori dello strato di carbonio. Più ioni al litio sono incorporati, maggiore è la capacità di ricarica.
Quando si scarica la batteria (cioè il processo di utilizzo della batteria), gli ioni di litio incorporati nello strato di carbonio dell'elettrodo negativo vengono rilasciati e tornano all'elettrodo positivo. Più ioni di litio tornano all'elettrodo positivo, maggiore è la capacità di scarico. Ciò che di solito chiamiamo la capacità della batteria si riferisce alla capacità di scarico.
Durante il processo di ricarica e scarico delle batterie agli ioni di litio, gli ioni di litio sono in uno stato di movimento dall'elettrodo positivo → elettrodo negativo → elettrodo positivo. Questa è come una sedia a dondolo, con le due estremità della sedia a dondolo che sono i due poli della batteria e ioni di litio che si spostano avanti e indietro alle due estremità della sedia a dondolo. Pertanto, le batterie agli ioni di litio sono anche chiamate batterie a dondolo.
Meccanismo di ricarica e scarica
- Il processo di ricarica delle batterie agli ioni di litio è diviso in due fasi: stadio di ricarica di corrente costante e corrente di tensione costante che diminuisce lo stadio di ricarica.
- Il sovraccarico e lo scarico delle batterie agli ioni di litio causano danni permanenti agli elettrodi positivi e negativi. Il sovraccarging provoca il collasso della struttura del foglio di carbonio dell'elettrodo negativo e il crollo impedirà l'inserimento di ioni al litio durante la ricarica; Il sovraccarico provoca che troppi ioni di litio vengano incorporati nella struttura del carbonio dell'elettrodo negativo, causando più il rilascio di alcuni degli ioni al litio.
- Il miglior metodo di ricarica e scarico per le batterie agli ioni di litio per mantenere le prestazioni è la ricarica superficiale e lo scarico superficiale. Generalmente, il 60% del DOD è da 2 a 4 volte la durata del ciclo in condizioni di DOD al 100%.
Principali indicatori di prestazione delle batterie agli ioni di litio
(1) Capacità della batteria
La capacità di una batteria può essere divisa in capacità nominale e capacità effettiva. La capacità nominale di una batteria si riferisce alla quantità di elettricità che la batteria dovrebbe fornire quando viene scaricata alla tensione di terminazione ad una velocità di 5 ore a temperatura ambiente di 20 gradi ± 5 gradi ed è rappresentata da C5. La capacità effettiva di una batteria si riferisce alla quantità effettiva di elettricità scaricata dalla batteria in determinate condizioni di scarico, che è principalmente influenzata dalla velocità di scarica e dalla temperatura (così a rigor di termini, la capacità della batteria dovrebbe indicare le condizioni di carica e scarica).
Unit di capacità: mah, ah (1ah =1000 mah).
(2) Resistenza interna della batteria
La resistenza interna della batteria si riferisce alla resistenza incontrata dalla corrente che scorre attraverso la batteria quando la batteria funziona. È costituito da due parti: resistenza interna e resistenza interna polarizzazione. Una grande resistenza interna della batteria porterà a una tensione di scarico inferiore e un tempo di scarico più breve. La dimensione della resistenza interna è influenzata principalmente da fattori come il materiale della batteria, il processo di produzione e la struttura della batteria. La resistenza interna della batteria è un parametro importante per misurare le prestazioni della batteria.
(3) Tensione
La tensione del circuito aperto si riferisce alla potenziale differenza tra gli elettrodi positivi e negativi della batteria quando la batteria non funziona, cioè quando non vi è alcuna corrente che scorre nel circuito. Generalmente, la tensione del circuito aperto di una batteria agli ioni di litio è di circa 4. 1-4. 2V dopo che è stata completamente caricata e circa 3. 0 V dopo che è stata scaricata. Lo stato di carica della batteria può essere determinato rilevando la tensione del circuito aperto della batteria.
La tensione operativa, nota anche come tensione del terminale, si riferisce alla differenza potenziale tra gli elettrodi positivi e negativi della batteria quando la batteria è nello stato di lavoro, cioè quando c'è corrente che scorre nel circuito. Quando la batteria è nello stato di lavoro di scarico, quando la corrente scorre attraverso la batteria, non è necessario superare la resistenza causata dalla resistenza interna della batteria, quindi la tensione di lavoro è sempre inferiore alla tensione del circuito aperto e il contrario è vero durante la carica. La tensione di lavoro di scarico delle batterie agli ioni di litio è di circa 3,6 V.
(4) Tempo della piattaforma di scarico
Il tempo della piattaforma di scarico si riferisce al tempo di scarico quando la batteria è completamente carica di una certa tensione. Ad esempio, viene misurato il tempo della piattaforma di scarico di una batteria ternaria a 3,6 V. La tensione viene caricata a 4.2V a una tensione costante e la corrente di ricarica è inferiore a 0. 02C, quindi la ricarica viene arrestata, ovvero dopo che la batteria è stata completamente carica e quindi viene lasciata per 10 minuti. Il tempo di scarico in cui viene dimesso a 3,6 V in qualsiasi corrente di scarico è il tempo della piattaforma di scarico in quella corrente.
Poiché la tensione di lavoro di alcuni apparecchi elettrici che utilizzano batterie agli ioni di litio ha requisiti di tensione, se è inferiore al valore richiesto, non funzionerà. Pertanto, la piattaforma di scarico è uno dei criteri importanti per misurare le prestazioni delle batterie.
(5) tasso di carica e scarico
La velocità di carica e scarica si riferisce al valore corrente richiesto per la batteria per scaricare la sua capacità nominale entro un tempo specificato. 1c è numericamente uguale alla capacità nominale della batteria ed è generalmente rappresentato dalla lettera C. Ad esempio, se la capacità nominale nominale della batteria è 1 0 AH, allora 10a è 1c (1 velocità), 5a è 0,5c, 100a è 10c e così via.
(6) Tasso di auto-scarica
Il tasso di auto-scarico, noto anche come capacità di ritenzione di carica, si riferisce alla capacità della batteria di trattenere la quantità di elettricità immagazzinata nella batteria in determinate condizioni quando la batteria si trova in uno stato di circuito aperto. È influenzato principalmente da fattori come il processo di produzione, i materiali e le condizioni di stoccaggio della batteria. È un parametro importante per misurare le prestazioni della batteria.
(7) Efficienza
L'efficienza di ricarica si riferisce alla misura del grado in cui l'energia elettrica consumata dalla batteria durante il processo di ricarica viene convertita nell'energia chimica che la batteria può conservare. È influenzato principalmente dal processo della batteria, dalla formula e dalla temperatura dell'ambiente di lavoro della batteria. Generalmente, maggiore è la temperatura ambiente, minore è l'efficienza di ricarica.
L'efficienza di scarico si riferisce al rapporto tra la quantità effettiva di elettricità scaricata alla tensione del terminale in determinate condizioni di scarico alla capacità nominale della batteria. È influenzato principalmente da fattori come la velocità di scarico, la temperatura ambiente e la resistenza interna. In generale, maggiore è la velocità di scarico, maggiore è l'efficienza di scarico. Più bassa è la temperatura, minore è l'efficienza di scarico.
(8) Life cicla
La durata del ciclo della batteria si riferisce al numero di tempi di carica e scarica che una batteria subisce in un determinato regime di carica e scarica quando la capacità della batteria scende a un determinato valore specificato. Il GB per le batterie agli ioni di litio stabilisce che il tasso di ritenzione della capacità di una batteria dopo 500 cicli a 1 ° C è superiore al 60%.
Classificazioni principali delle batterie agli ioni di litio
① Secondo i diversi materiali elettroliti utilizzati nelle batterie al litio, le batterie al litio possono essere divise in due categorie: batterie al litio liquido (batterie a ioni di litio, denominate Lib) e batterie al litio polimerico (batterie a ioni al litio polimerico, indicate come LOP).
② Secondo il metodo di ricarica, possono essere divisi in due categorie: non reagibili e ricaricabili.
③ Aspetto della batteria al litio: batteria al litio quadrato (come batterie per telefoni cellulari comunemente usate) e cilindriche (come 18650, 18500);
④ Materiali di imballaggio della batteria al litio: batteria al litio con shell in alluminio, batteria al litio con guscio in acciaio, batteria a pacchetto morbido;
⑤ Batteria al litio dai materiali per elettrodi positivi e negativi (additivi): batteria di ossido di cobalto di litio (LICOO2), ossido di manganese al litio (Limn2O4), batteria al litio del fosfato di ferro, batteria al litio del manganese
