Litiumbatterier är en ny typ av högenergibatteri som framgångsrikt utvecklats under 1900-talet. De kan förstås som batterier som innehåller litiumelement (inklusive metalliska litium, litiumlegeringar, litiumjoner och litiumpolymerer). De kan delas upp i litiummetallbatterier (sällan produceras och används) och litiumjonbatterier (nu används i stora mängder). På grund av dess fördelar som hög specifik energi, hög batterispänning, brett driftstemperaturområde och lång lagringsliv har de använts allmänt i militära och civila små elektriska apparater, såsom mobiltelefoner, bärbara datorer, kameror, kameror, etc., delvis ersätter traditionella batterier.
Ursprung och utveckling av litiumjonbatterier
- På 1970 -talet använde Whittingham från Exxon titansulfid som det positiva elektrodmaterialet och metallitium som det negativa elektrodmaterialet för att göra det första litiumbatteriet.
- 1980 upptäckte J. Goodenough att litiumkoboltoxid kan användas som det positiva elektrodmaterialet hos litiumjonbatterier.
- 1982 upptäckte Rragarwal och Jrselman från Illinois Institute of Technology att litiumjoner har egenskapen att vara inbäddad i grafit, och denna process är snabb och reversibel. Samtidigt har säkerhetsriskerna för litiumbatterier gjorda av metall litium väckt mycket uppmärksamhet, så människor har försökt använda egenskaperna hos litiumjoner inbäddade i grafit för att göra uppladdningsbara batterier. Den första användbara litiumjongrafitelektroden producerades framgångsrikt av Bell Laboratories.
- 1983 upptäckte M.Thackeray, J.Goodenough och andra att manganspinell är ett utmärkt positivt elektrodmaterial med lågt pris, stabilitet och utmärkt elektrisk och litiumkonduktivitet. Den har en hög sönderdelningstemperatur och dess oxidiserbarhet är mycket lägre än för litiumkoboltoxid. Även om kortslutning eller överladdning inträffar kan det undvika faran för förbränning och explosion.
- 1989 upptäckte A.Manthiram och J.Goodenough att den positiva elektroden med användning av polymeriserade anjoner kommer att ge högre spänning.
- 1991 släppte Sony det första kommersiella litiumjonbatteriet. Därefter revolutionerade litiumjonbatterier utseendet på konsumentelektronik.
- 1996 upptäckte Padhi och Goodenough att fosfater med olivinstrukturer, såsom litiumjärnfosfat (LifePO4), är överlägsna traditionella positiva elektrodmaterial och därför har blivit de nuvarande mainstream -positiva elektrodmaterial.
Litiumjonbatterier (Li-ion-batterier) är utvecklade från litiumbatterier. Så innan vi introducerar Li-ion, låt oss först introducera litiumbatterier. Till exempel tillhör knappbatterier litiumbatterier. Det positiva elektrodmaterialet i litiumbatterier är mangandioxid eller tionylklorid, och den negativa elektroden är litium. När batteriet har monterats har batteriet spänning och behöver inte laddas. Denna typ av batteri kan också laddas, men cykelprestanda är inte bra. Under laddnings- och urladdningscykeln bildas litium -dendriter lätt, vilket orsakar interna kortkretsar i batteriet, så under normala omständigheter är denna typ av batteri förbjudet att laddas.
Senare uppfann Sony Corporation i Japan ett litiumbatteri med kolmaterial som den negativa elektroden och litiuminnehållande föreningar som den positiva elektroden. Under laddnings- och urladdningsprocessen finns det inget metalliskt litium, endast litiumjoner. Detta är ett litiumjonbatteri.
I början av 1990-talet utvecklade Sony Energy Development Company i Japan respektive Moli Energy Company i Kanada framgångsrikt en ny typ av litiumjonbatteri, som inte bara har bra prestanda utan också är miljövänligt. Med den snabba utvecklingen av informationsteknologi, handhållna maskiner och elektriska fordon har efterfrågan på högeffektiva kraftkällor ökat dramatiskt, och litiumbatterier har blivit ett av de snabbast växande fälten.
Struktur och princip för litiumjonbatterier
(1) Huvudkomponenter i litiumjonbatterier:
① Positiv elektrod - Aktiva material hänvisar huvudsakligen till litiumkoboltoxid, litiummanganoxid, litiumjärnfosfat, litiumnickeloxid, nickelkobolt manganoxid, etc. Den ledande strömkollektorn använder vanligtvis aluminiumfolie med en tjocklek av 10-20 mikron;
② Membran - En speciell plastfilm som gör det möjligt för litiumjoner att passera, men är en isolator för elektroner. För närvarande finns det främst två typer: PE och PP och deras kombinationer. Det finns också en typ av oorganiskt fasta membran, såsom aluminiumoxid membranbeläggning, som är ett oorganiskt fast membran;
③ Negativ elektrod - Det aktiva materialet hänvisar huvudsakligen till grafit, litiumtitanat eller kolmaterial med en struktur som liknar grafit. Den ledande strömsamlaren använder vanligtvis kopparfolie med en tjocklek av 7-15 mikron;
④ Elektrolyt - i allmänhet ett organiskt system, såsom karbonatlösningsmedel upplöst med litiumhexafluorofosfat, och vissa polymerbatterier använder gelelektrolyter;
⑤ Batteriskal - främst uppdelat i hårt skal (stålskal, aluminiumskal, nickelpläterat järnskal, etc.) och mjukt paket (aluminiumplastfilm).
När batteriet laddas, deinterkaleras litiumjoner från den positiva elektroden och inbäddas i den negativa elektroden och vice versa under urladdning. Detta kräver att en elektrod är i ett litiuminterkalerat tillstånd före montering. I allmänhet väljs litium-interkalerade övergångsmetalloxider med en potentiell större än 3V relativt litium och stabilt i luften som positiva elektroder, såsom LICOO2, LINIO2 och LIMN2O4.
Som det negativa elektrodmaterialet väljs litium-inbäddningsbara föreningar med en potential så nära litiumpotentialen som möjligt, såsom olika kolmaterial inklusive naturlig grafit, syntetisk grafit, kolfiber, mesofas sfärulit, etc. och metall oxider, inklusive SNO, SNO2, tennkomposit oxide snbxyoz (x =0. y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2), etc.
Elektrolyten antar ett blandat lösningsmedelssystem av alkylkarbonater såsom etenkarbonat (EC), propylenkarbonat (PC) och lågviskositetsdietylkarbonat (DEC) av LIPF6.
Membranet antar polyolefin-mikroporösa membran såsom PE, PP eller deras sammansatta membran, särskilt PP\/PE\/PP tre-skikts membran, som inte bara har en låg smältpunkt, utan också har en hög punkteringsresistensstyrka, som spelar en roll som termisk försäkring.
Skalet är tillverkat av stål eller aluminium, och täckmonteringen har funktionen av explosionssäker avstängning.
(2) Grundläggande arbetsprincip
Vid laddning av batteriet frisätts litiumjoner från den litiuminnehållande föreningen i den positiva elektroden, och litiumjonerna rör sig till den negativa elektroden genom elektrolyten. Kolmaterialet i den negativa elektroden har en skiktad struktur med många mikroporer. Litiumjonerna som når den negativa elektroden är inbäddade i mikroporerna i kolskiktet. Ju mer litiumjoner är inbäddade, desto högre laddningskapacitet.
Vid utsläpp av batteriet (dvs. processen att använda batteriet) släpps litiumjonerna inbäddade i kolskiktet i den negativa elektroden och flyttar tillbaka till den positiva elektroden. Ju mer litiumjoner som återgår till den positiva elektroden, desto högre urladdningskapacitet. Det vi vanligtvis kallar batterikapacitet hänvisar till urladdningskapaciteten.
Under laddnings- och urladdningsprocessen för litiumjonbatterier är litiumjoner i ett rörelsestillstånd från positiv elektrod → Negativ elektrod → Positiv elektrod. Detta är som en gungstol, där de två ändarna av den gungande stolen är de två polerna i batteriet, och litiumjoner som rör sig fram och tillbaka vid de två ändarna av gungstolen. Därför kallas litiumjonbatterier också gungstolbatterier.
Laddnings- och urladdningsmekanism
- Laddningsprocessen för litiumjonbatterier är uppdelad i två steg: konstant strömladdningssteg och konstant spänningsström minskande laddningssteg.
- Överladdning och urladdning av litiumjonbatterier kommer att orsaka permanent skada på de positiva och negativa elektroderna. Överdischering får kolplåtstrukturen för den negativa elektroden att kollapsa, och kollapsen kommer att förhindra att litiumjoner sätts in under laddning; Överladdning gör att för många litiumjoner är inbäddade i kolstrukturen för den negativa elektroden, vilket gör att några av litiumjonerna inte längre släpps ut.
- Den bästa laddnings- och urladdningsmetoden för litiumjonbatterier för att upprätthålla prestanda är grunt laddning och grunt urladdning. Generellt sett är 60% DOD 2 till 4 gånger cykellivslängden under 100% DOD -förhållanden.
Huvudprestandaindikatorer för litiumjonbatterier
(1) Batterikapacitet
Kapaciteten för ett batteri kan delas upp i nominell kapacitet och faktisk kapacitet. Den nominella kapaciteten för ett batteri avser mängden el som batteriet ska tillhandahålla när det släpps ut till avslutningsspänningen med en hastighet av 5 timmar under en omgivningstemperatur på 20 grader ± 5 grader och representeras av C5. Den faktiska kapaciteten för ett batteri hänvisar till den faktiska mängden el som släpps ut av batteriet under vissa urladdningsförhållanden, som huvudsakligen påverkas av urladdningshastigheten och temperaturen (så strikt talat bör batterikapaciteten ange laddnings- och urladdningsförhållandena).
Kapacitetsenhet: mah, ah (1Ah =1000 mah).
(2) Batteri internt motstånd
Batteriets internt motstånd hänvisar till motståndet som uppstår av ström som strömmar genom batteriet när batteriet fungerar. Den består av två delar: ohmiskt internt motstånd och polarisationens inre motstånd. Ett stort inre motstånd mellan batterier kommer att leda till en lägre urladdningsspänning och en kortare urladdningstid. Storleken på det inre motståndet påverkas huvudsakligen av faktorer som batterimaterial, tillverkningsprocess och batteristruktur. Batteriets internmotstånd är en viktig parameter för att mäta batteriets prestanda.
(3) spänning
Öppen kretsspänning hänvisar till den potentiella skillnaden mellan de positiva och negativa elektroderna i batteriet när batteriet inte fungerar, det vill säga när det inte finns någon ström som flyter i kretsen. Generellt sett är den öppna kretsspänningen för ett litiumjonbatteri cirka 4. 1-4. 2V efter att den är fulladdad och cirka 3. 0 V efter att den har släppts ut. Batteriets laddningstillstånd kan bestämmas genom att upptäcka batteriets öppen kretsspänning.
Driftspänningen, även känd som terminalspänningen, hänvisar till den potentiella skillnaden mellan de positiva och negativa elektroderna i batteriet när batteriet är i arbetsläget, det vill säga när det finns ström som flyter i kretsen. När batteriet är i utloppets arbetstillstånd, när strömmen rinner genom batteriet, behöver det inte övervinna motståndet som orsakas av batteriets inre motstånd, så att arbetsspänningen alltid är lägre än den öppna kretsspänningen, och det motsatta är sant vid laddning. Litium-jonbatteriernas urladdningsspänning är cirka 3,6 V.
(4) urladdningsplattformstid
Utsläppsplattformen hänvisar till urladdningstiden när batteriet är fulladdat till en viss spänning. Till exempel mäts urladdningsplattformtiden för ett ternärt batteri vid 3,6V. Spänningen laddas till 4,2V vid en konstant spänning, och laddningsströmmen är mindre än 0. 02C, sedan stoppas laddningen, det vill säga efter att batteriet är helt laddat och sedan är det kvar i 10 minuter. Utsläppstiden när den släpps ut till 3,6V vid valfri urladdningsström är urladdningsplattformstiden vid den strömmen.
Eftersom arbetsspänningen för vissa elektriska apparater som använder litiumjonbatterier har spänningskrav, om det är lägre än det nödvändiga värdet, fungerar det inte. Därför är urladdningsplattformen ett av de viktiga kriterierna för att mäta batteriernas prestanda.
(5) Avgifts- och urladdningshastighet
Laddnings- och urladdningshastigheten avser det aktuella värdet som krävs för att batteriet ska ladda sin nominella kapacitet inom en viss tid. 1C är numeriskt lika med batteriets nominella kapacitet och representeras vanligtvis av bokstaven C. Till exempel är batteriets nominella nominella kapacitet 1 0 AH, så är 10A 1C (1 hastighet), 5A är 0,5c, 100a är 10c, och så vidare.
(6) Självladdningsfrekvens
Självladdningshastigheten, även känd som laddningshållningskapacitet, hänvisar till batteriets förmåga att behålla mängden el som lagras i batteriet under vissa förhållanden när batteriet är i ett öppet kretsstillstånd. Det påverkas främst av faktorer som tillverkningsprocess, material och lagringsförhållanden för batteriet. Det är en viktig parameter för att mäta batteriets prestanda.
(7) effektivitet
Laddningseffektiviteten avser måtten på den grad till vilken den elektriska energin som konsumeras av batteriet under laddningsprocessen omvandlas till den kemiska energin som batteriet kan lagra. Det påverkas främst av batteriprocessen, formeln och arbetsmiljöens temperatur. Generellt sett, ju högre omgivningstemperatur, desto lägre laddningseffektivitet.
Utsläppseffektivitet avser förhållandet mellan den faktiska mängden el som släpps ut och terminalspänningen under vissa urladdningsförhållanden och batteriets nominella kapacitet. Det påverkas främst av faktorer som urladdningshastighet, omgivningstemperatur och internt motstånd. Generellt sett, ju högre urladdningshastighet, desto lägre urladdningseffektivitet. Ju lägre temperaturen, desto lägre urladdningseffektivitet.
(8) Cykelliv
Batterycykellivslängden avser antalet laddnings- och urladdningstider som ett batteri genomgår under en viss laddnings- och urladdningsregime när batterikapaciteten sjunker till ett visst specifikt värde. GB för litiumjonbatterier föreskriver att kapacitetshållningshastigheten för ett batteri efter 500 cykler vid 1C är över 60%.
Huvudklassificeringar av litiumjonbatterier
① Enligt de olika elektrolytmaterial som används i litiumbatterier kan litiumbatterier delas upp i två kategorier: flytande litiumbatterier (litiumjonbatterier, kallade lib) och polymer litiumbatterier (polymer litiumjonbatterier, kallade läpp).
② Enligt laddningsmetoden kan de delas in i två kategorier: icke-återföringsbara och laddningsbara.
③ Litiumbatteriutseende: fyrkantigt litiumbatteri (såsom vanligt använda mobiltelefonbatterier) och cylindriska (såsom 18650, 18500);
④ Litiumbatteriförpackningsmaterial: aluminiumskal litiumbatteri, stålskal litiumbatteri, mjukt packbatteri;
⑤ Litiumbatteri från de positiva och negativa elektrodmaterialen (tillsatser): litiumkoboltoxid (LICOO2) batteri, litiummanganoxid (limn2O4), litiumjärnfosfatbatteri, engångsmangan dioxid litiumbatteri
