Vad är ett litiumjonuppladdningsbart batteri?

Litiumjonbatteri är ett sekundärt batteri (laddningsbart batteri) som huvudsakligen förlitar sig på rörelse av litiumjoner mellan den positiva elektroden och den negativa elektroden att fungera. Under laddnings- och urladdningsprocessen är Li+ inbäddad och avvecklas mellan de två elektroderna: När laddning är Li+ avmarkeras från den positiva elektroden och inbäddas i den negativa elektroden genom elektrolyten, och den negativa elektroden är i ett litiumrikt tillstånd; Vid utsläpp är det motsatta sant.

Del 1: Introduktion till batterier
Litiumbatterier är uppdelade i litiumbatterier och litiumjonbatterier. Mobiltelefoner och bärbara datorer använder litiumjonbatterier, som ofta är kända som litiumbatterier. Batterier använder i allmänhet material som innehåller litiumelement som elektroder och är representativa för moderna högpresterande batterier. Emellertid används verkliga litiumbatterier sällan i dagliga elektroniska produkter på grund av deras höga risk.
Litiumjonbatterier utvecklades först av Sony Corporation i Japan 1990. Det inbäddar litiumjoner i kol (petroleumkoks och grafit) för att bilda en negativ elektrod (traditionella litiumbatterier använder litium eller litiumlegering som en negativ elektrod). LIXCOO2 används vanligtvis som det positiva elektrodmaterialet, och lixnio2 och lixmno4 används också. Lipf 6+ dietylenkarbonat (EC)+dimetylkarbonat (DMC) används som elektrolyt.
Petroleumkoks och grafit är giftfria och rikliga i resurser som negativa elektrodmaterial. Litiumjoner är inbäddade i kol, vilket övervinner den höga aktiviteten hos litium och löser säkerhetsproblemen för traditionella litiumbatterier. Den positiva elektroden LIXCOO2 kan uppnå en hög nivå som är ansvarig och urladdning och livslängd, vilket minskar kostnaden. Kort sagt förbättras den omfattande prestanda för litiumjonbatterier. Det förväntas att litiumjonbatterier kommer att ockupera en stor marknad under 2000-talet.

Del 2: Batteriskillnader
Litiumjonbatterier förväxlas lätt med följande två batterier
Litiumbatterier: Använd metalliskt litium som den negativa elektroden.
Litiumjonbatterier: Använd icke-vattenhaltiga flytande organiska elektrolyter.
Litiumjonpolymerbatterier: Använd polymerer för att gela flytande organiska lösningsmedel eller använda helt fasta elektrolyter. Litiumjonbatterier använder i allmänhet grafitkolmaterial som negativa elektroder.

Del 3: Huvudtyper
Enligt de olika elektrolytmaterialet som används i litiumjonbatterier delas litiumjonbatterier in i flytande litiumjonbatterier (flytande litiumjonbatteri, kallad lib), kondenserade litiumjonbatterier och polymer litiumjonbatterier (polymer litiumjonbatteri, hänvisade till PLB).
3.1 flytande litiumjonbatterier
Uppladdningsbara litiumjonbatterier är de mest använda batterierna i moderna digitala produkter som mobiltelefoner och bärbara datorer. Därför finns det skyddskomponenter eller skyddskretsar på batteriet för att förhindra att dyra batterier skadas. Litiumjonbatteriladdningskraven är mycket höga. För att säkerställa att avslutningsspänningsnoggrannheten ligger inom ± 1%har tillverkare av stora halvledarenheter utvecklat en mängd olika litiumjonbatteriladdning av IC för att säkerställa säker, pålitlig och snabb laddning.
Vanliga mobiltelefoner är utrustade med litiumjonbatterier. Rätt användning av litiumjonbatterier är mycket viktig för att förlänga batteritiden. Det kan göras till platt rektangulära, cylindriska, rektangulära och knappformade enligt kraven från olika elektroniska produkter, och det finns batteripaket som består av flera batterier anslutna i serie och parallella. Den nominella spänningen för litiumjonbatterier är i allmänhet 3,7 V på grund av materialförändringar, medan den för litiumjärnfosfatpositiva elektroder är 3,2V. Den slutliga laddningsspänningen när den är fulladdad är i allmänhet 4,2 V, och den för litiumjärnfosfat är 3,65V. Den slutliga urladdningsspänningen för litiumjonbatterier är 2,75V till 3. 0 V (Batterifabriken ger driftspänningsområdet eller den slutliga urladdningsspänningen, och parametrarna är något olika, i allmänhet 3. 0 V, och det av järnfosfat är 2,5V). Fortsatt att urladdas under 2,5V (2. 0 V för litiumjärnfosfat) kallas överutladdning, vilket kommer att skada batteriet.
Litiumjonbatterier med material med litiumkoboltoxid som positiva elektroder inte är lämpliga för högströmsutsläpp. Överdriven strömavladdning kommer att minska urladdningstiden (högre temperatur kommer att genereras inuti och energi kommer att gå förlorad) och kan vara farlig; Men litiumbatterier med litiumjärnfosfatpositiva elektrodmaterial kan laddas och släppas med en hög ström på 20C eller ännu större (C är kapaciteten för batteriet, såsom C =800 MAH, 1C laddningshastighet innebär att laddningsströmmen är 800 mA), vilket är särskilt lämpligt för elektriska fordon. Därför ger batteritillverkaren den maximala urladdningsströmmen, som bör vara mindre än den maximala urladdningsströmmen under användning.
Litiumjonbatterier har vissa temperaturkrav. Fabriken ger laddningstemperaturområdet, urladdningstemperaturområdet och lagringstemperaturområdet. Överspänningsladdning kommer att orsaka permanent skada på litiumjonbatterier. Laddningsströmmen för litiumjonbatterier bör baseras på rekommendationerna från batteritillverkaren, och en strömbegränsningskrets krävs för att undvika överströms (överhettning).
Den vanligt använda laddningshastigheten är 0. 25c ~ 1c. Vid laddning med en stor ström upptäcks batteritemperaturen ofta för att förhindra överhettning från att skada batteriet eller orsaka en explosion.
Litiumjonbatteriladdning är uppdelad i två steg: konstant strömladdning först och sedan konstant spänningsladdning när den är nära avslutningsspänningen. Till exempel har ett batteri med en kapacitet på 800 mAh en avslutningsspänning på 4,2 V. Batteriet laddas med en konstant ström på 800 mA (laddningshastigheten är 1C). I början ökar batterispänningen med en stor lutning. När batterispänningen är nära 4.2V ändras den till 4,2 V konstant spänningsladdning, strömmen minskar gradvis och spänningen förändras inte mycket. När laddningsströmmen sjunker till 1\/10-50 c (inställningsvärdet för varje fabrik är annorlunda och påverkar inte användningen), anses det vara nära till fullo och laddningen kan avslutas (vissa laddare startar timern efter 1\/10C och slutar laddningen efter en viss tid).
3.2 Kondenserat litiumjonbatteri
Den 19 april 2023 släppte Catl ett kondenserat batteri med en energitäthet på upp till 500Wh\/kg, vilket kommer att ha massproduktionskapacitet inom 2023.

Del 4: Arbetsprincip

Litiumjonbatterier använder kolmaterial som negativa elektroder och litiuminnehållande föreningar som positiva elektroder. Det finns inget metalliskt litium, bara litiumjoner. Detta är ett litiumjonbatteri. Litiumjonbatterier hänvisar till den allmänna termen för batterier med litiumjon inbäddade föreningar som positiva elektrodmaterial. Laddnings- och urladdningsprocessen för litiumjonbatterier är processen för litiumjon inbäddning och avbäddning. I processen med inbäddning och avbäddning av litiumjoner åtföljs också inbäddning och avbäddning av ekvivalenta elektroner till litiumjoner (det är vanligt att använda inbäddning eller avbäddning för att representera den positiva elektroden, och att sätta in eller avföra för att representera den negativa elektroden). I processen med laddning och urladdning är litiumjoner inbäddade\/de-inbäddade och infogade\/de-införs fram och tillbaka mellan de positiva och negativa elektroderna, som kallas ett "gungstolbatteri".
När batteriet laddas genereras litiumjoner på batteriets positiva elektrod, och de genererade litiumjonerna rör sig till den negativa elektroden genom elektrolyten. Kolet som den negativa elektroden har en skiktad struktur och har många mikroporer. Litiumjonerna som når den negativa elektroden är inbäddade i mikroporerna i kolskiktet. Ju mer litiumjoner är inbäddade, desto högre laddningskapacitet. På samma sätt, när batteriet släpps ut (det vill säga processen att använda batteriet), släpps litiumjonerna inbäddade i kolskiktet i den negativa elektroden och flyttas tillbaka till den positiva elektroden. Ju mer litiumjoner som återgår till den positiva elektroden, desto högre urladdningskapacitet.
Bild
Generellt sätts laddningsströmmen för litiumbatterier mellan 0. 2c och 1c. Ju större ström, desto snabbare laddning och desto större är batteriets värme. Dessutom, om strömmen är för stor, kommer kapaciteten inte att vara full, eftersom den elektrokemiska reaktionen inuti batteriet tar tid. Precis som att hälla öl, om du häller det för snabbt, kommer det att producera skum och inte vara full.

Del 5: Komponenter

Stålskal\/aluminiumskal\/cylindrisk\/mjuk förpackningsserie
Positiv elektrod: Det aktiva materialet är i allmänhet litiummanganoxid eller litiumkoboltoxid, nickelkobolt manganoxidmaterial och elektriska cyklar använder i allmänhet nickelkobolt manganoxid (allmänt känd som ternär) eller ternär + en liten mängd litiummanganoxid. Ren litiummanganoxid och litiumjärnfosfat bleknar gradvis ut på grund av stor storlek, dålig prestanda eller hög kostnad. Den ledande strömkollektorn använder elektrolytisk aluminiumfolie med en tjocklek av 10-20 mikron.
Membran: En speciellt formad polymerfilm med en mikroporös struktur som gör att litiumjoner kan passera fritt, men elektroner kan inte passera.
Negativ elektrod: Det aktiva materialet är grafit eller kol med en grafitliknande struktur, och den ledande strömkollektorn använder elektrolytisk kopparfolie med en tjocklek av 7-15 mikron.
Elektrolyt: Karbonatlösningsmedel som löser litium hexafluorofosfat, medan polymerer använder gelelektrolyter.
Batteriskal: uppdelat i stålskal (sällan används i fyrkantiga batterier), aluminiumskal, nickelpläterat järnskal (som används i cylindriska batterier), aluminiumplastfilm (mjuk förpackning), etc., såväl som batterikappen, som också är batteriets positiva och negativa terminal.

Del 6: Batterisammansättning

Liksom alla kemiska batterier består litiumjonbatterier också av tre delar: positiv elektrod, negativ elektrod och elektrolyt. Elektrodmaterialet är alla litiumjoner som kan inbäddas (infogas)\/de-inbäddade (de-införs).
6.1 Positiva elektrodmaterial
1) Positiva elektrodmaterial
Det finns många valfria positiva elektrodmaterial, och mainstream -produkter använder mestadels litiumjärnfosfat. Jämförelse av olika positiva elektrodmaterial:

2) Positiv elektrodreaktion
Litiumjoner sätts in under urladdning och deinterkalerad under laddning.
Vid laddning: LifePo4 → Li 1- Xfepo 4 + XLI ++ Xe-
Vid utsläpp: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → LifePo4
6.2 Negativa elektrodmaterial
1) Negativa elektrodmaterial
Grafit används mest. Ny forskning har funnit att titanater kan vara ett bättre material. Negativ elektrodreaktion: Litiumjoner sätts in under laddning och avinterkalkas under urladdning.
Vid laddning: xli ++ xe -+ 6 c → lixc6
Vid utsläpp: lixc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Generellt uppdelat i följande kategorier:
Kolnegativa elektrodmaterial: De negativa elektrodmaterial som faktiskt används i litiumjonbatterier är i princip kolmaterial, såsom konstgjord grafit, naturlig grafit, mesofas kolmikrokor, petroleumkoks, kolfiber, pyrolytiskt hartkol, etc.
Tennbaserade negativa elektrodmaterial: Tennbaserade negativa elektrodmaterial kan delas upp i två typer: tennoxid och tennbaserad kompositoxid. Oxid hänvisar till oxider av olika valenstillstånd av metallburk. Det finns inga kommersiella produkter.
Litiuminnehållande övergångsmetallnitrid Negativ elektrodmaterial: Inga kommersiella produkter.
Legeringsnegativa elektrodmaterial: inklusive tennbaserade legeringar, kiselbaserade legeringar, germaniumbaserade legeringar, aluminiumbaserade legeringar, antimonbaserade legeringar, magnesiumbaserade legeringar och andra legeringar, inga kommersiella produkter.
Nano-skala negativa elektrodmaterial: nano kolrör, nano legeringsmaterial.
Nano -material är Nano -oxidmaterial: Enligt de senaste marknadsutvecklingstrenderna för litiumbatteriets nya energiindustri 2009 har många företag börjat använda nano -titanoxid och nano -kiseloxid för att lägga till den traditionella grafit-, tennoxiden och nano -kolrören, vilket kraftigt förbättrar laddning och urladdningskapacitet och laddningstider.
6.3 Elektrolyt
Lösning: litiumsalter används ofta, såsom litiumperklorat (LICLO4), litiumhexafluorofosfat (lipf6) och litiumtetrafluorborat (libf4).
Lösningsmedel: Eftersom batteriets arbetsspänning är mycket högre än nedbrytningsspänningen för vatten, används ofta organiska lösningsmedel i litiumjonbatterier, såsom eter, etylenkarbonat, propylenkarbonat, dietylkarbonat, etc. Organiska lösningsmedel förstör ofta strukturen för grafit under laddning, vilket orsakar den att peel av och bilda en stolt elektroly-interfas (SE-plats) i dess yta, uppförande av elektroding. Organiska lösningsmedel ger också säkerhetsfrågor som brandfarlighet och explosion.
6.4 Ledande beläggning
Kolbelagd aluminiumfolie för batterier (ledande beläggning)
Fördelar med kolbelagd aluminiumfolie i litiumjonbatteriapplikationer
Hämta batteripolariseringen, minska termiska effekter och förbättra hastighetsprestanda;
Minska inre motstånd för batteriet och minska den dynamiska inre motståndens dynamiska inre motstånd under cykelprocessen;
Hög konsistens, öka batterycykellivslängden;
Hög vidhäftning mellan aktiva ämnen och nuvarande samlare, vilket minskar tillverkningskostnaden för polstycken;
Skydda den nuvarande samlaren från att korroderas av elektrolyten;
Förbättra bearbetningsprestanda för litiumjärnfosfat och litiumtitanatmaterial.
Att använda funktionella beläggningar för att behandla ytan på batteriets ledande underlag är en genombrott teknisk innovation. Kolbelagd aluminiumfolie\/kopparfolie är att jämnt och fint täcker den spridda nano-ledande grafiten och kolbelagda partiklar på aluminiumfolien\/kopparfolien. Det kan ge utmärkt statisk konduktivitet och samla mikroströmmen för det aktiva materialet och därigenom minska kontaktmotståndet mellan det positiva\/negativa elektrodmaterialet och samlaren och kan förbättra vidhäftningen mellan de två, vilket kan minska mängden bindemedel som användes avsevärt förbättra batteriets totala prestanda. Beläggningen är uppdelad i två typer: vattenbaserat (vattenhaltigt system) och oljebaserat (organiskt lösningsmedelssystem).

Del 7: Fördelar och nackdelar

7.1 Fördelar
Högspänning: Driftspänningen för en enda cell är så hög som 3. 7-3. 8V (3.2V för litiumjärnfosfat), vilket är 3 gånger den för Ni-CD- och Ni-MH-batterier.
Stor specifik energi: Den faktiska specifika energin som kan uppnås är cirka 555Wh\/kg, det vill säga materialet kan nå en specifik kapacitet på mer än 150 mAh\/g (3-4 gånger det för Ni-CD, 2-3 gånger det för Ni-MH), som är nära 88% av dess teoretiska värde.
Lång cykelliv: Generellt kan det nå mer än 500 gånger, eller till och med mer än 1000 gånger, och litiumjärnfosfat kan nå 8000 gånger. För elektriska apparater med liten strömutladdning kommer batteriets livslängd fördubblat apparatens konkurrenskraft.
Bra säkerhetsprestanda: Ingen förorening, ingen minneseffekt. Som föregångare för Li-ion har litiumbatterier minskat sina appliceringsområden eftersom metallitium är lätt att bilda dendriter och kortslutning: Li-ion innehåller inte kadmium, bly, kvicksilver och andra element som förorenar miljön; En stor nackdel med Ni-CD-batterier i vissa processer (som sintring) är "minneseffekten", som allvarligt begränsar användningen av batterier, men Li-ion har inte detta problem alls.
Låg självutladdning: Självladdningshastigheten för fulladdade Li-ion-batterier lagrade vid rumstemperatur under en månad är cirka 2%, vilket är mycket lägre än 25-30% av Ni-CD och 30-35% av Ni-MH.
Snabbladdning: Kapaciteten för 1C-laddning i 30 minuter kan nå mer än 80% av den nominella kapaciteten, och järnfosforbatteriet kan laddas till 90% av den nominella kapaciteten på 10 minuter.
Driftstemperatur: Driftstemperaturen är -25 ~ 45 grader. Med förbättringen av elektrolyt och positiv elektrod förväntas den utvidgas till -40 ~ 70 grader.
7.2 Nackdelar
Åldrande: Till skillnad från andra laddningsbara batterier kommer kapaciteten för litiumjonbatterier långsamt att minska, vilket är relaterat till antalet användningar och temperaturen. Detta nedgångsfenomen kan uttryckas genom en minskning av kapacitet eller en ökning av internt motstånd. Eftersom det är relaterat till temperatur är det mer troligt att det återspeglas i elektroniska produkter med hög arbetsström. Att ersätta grafit med litiumtitanat verkar förlänga livet. Förhållandet mellan lagringstemperatur och hastigheten för förlust av permanent kapacitet: