Kas yra baterijos elementas?
Ląstelių struktūra
Viena baterija, dar žinoma kaip „celė“, yra mažiausias akumuliatoriaus sistemos vienetas. Jis daugiausia sudarytas iš katodo (katodo elektrodo), anodo (anodo elektrodo), elektrolito (elektrolito), separatoriaus (separatoriaus) ir korpuso (dėklo), kaip parodyta 7-1 pav.
Ličio{0}}jonų elemento elektrodo lakštą galima priskirti prie sudėtinės medžiagos, kurią daugiausia sudaro keturios dalys:
1) aktyviosios medžiagos dalelės, kurios įsiterpia arba deinterkaluoja ličio jonus; katodo dalelės yra ličio šaltinis, o anodo dalelės priima ličio jonus.
2) laidžioji fazė (anglies gelio fazė), sudaryta iš laidžiojo agento ir srovės kolektoriaus mišinio, o rišiklis atlieka surišimo funkciją; danga praleidžia elektronus per srovės kolektorių ir laidžių agentą.
3) Elektrolitu užpildytos poros, kurios yra kanalai ličio jonų transportavimui elektrodo lakšte.
4) Srovės kolektorius.
Elektrocheminio proceso metu elektrodų danga daugiausia apima šiuos 4 procesus:
1) Elektronų transportavimas.
2)Jonų transportavimas.
3) Krūvio mainai elektrolito/elektrodo dalelių sąsajoje, ty elektrocheminė reakcija.
4) Ličio jonų difuzija kietoje fazėje. Elektrodo lakšto mikrostruktūroje dalelių dydis ir pasiskirstymas įtakoja ličio -jonų difuzijos kelią ir elektrocheminės reakcijos specifinį paviršiaus plotą; porų dydis ir pasiskirstymas turi įtakos elektrolito transportavimo procesui; poringumas turi įtakos aktyviosios medžiagos kiekiui ir elektrocheminės reakcijos savitajam paviršiaus plotui. Visos šios mikrostruktūrinės savybės galiausiai turi įtakos akumuliatoriaus veikimui.
Katodo struktūra
Ląstelių katodas daugiausia sudarytas iš katodo medžiagų, tokių kaip LiCoO₂, laidus agentas, rišiklis (PVDF) ir srovės kolektorius (aliuminio folija), kaip parodyta 7-2 pav.
Ličio{0}}jonų akumuliatorių katodo srovės kolektorius paprastai yra aliuminio folija, o anodo srovės kolektorius yravario folija. Siekiant užtikrinti srovės kolektoriaus stabilumą akumuliatoriaus viduje, abiejų grynumas turi būti didesnis nei 98%. Priežastys, kodėl ličio-jonų baterijose katodui naudojama aliuminio folija, o anodui – varinė folija, yra šios trys priežastys:
1) Varis ir aliuminis turi gerą elektros laidumą, minkštą tekstūrą ir žemą kainą. Ličio -jonų akumuliatoriaus veikimo principas yra elektrocheminis įtaisas, kuris cheminę energiją paverčia elektros energija. Šiame procese reikalinga terpė cheminei energijai perkelti į elektros energiją, kuriai reikia laidžios medžiagos. Tarp įprastų medžiagų metalai turi geriausią elektros laidumą, o iš metalų varis ir aliuminis pasižymi puikiu laidumu ir santykinai žema vario folijos ir aliuminio folijos kaina. Ličio{6}}jonų baterijose dažniausiai naudojami du apdorojimo būdai: vyniojimas ir krovimas. Palyginti su krovimu, apvija reikalauja, kad akumuliatoriui paruošti naudojami elektrodų lakštai būtų tam tikro lankstumo, kad būtų užtikrinta, jog apvijos metu elektrodų lakštai netaptų trapūs ir nesulūžtų. Tarp metalinių medžiagų vario ir aliuminio folijos yra minkštos, gana kietos vario/aliuminio folijos – brangios, vario ir aliuminio folijos – santykinai pigios, o vario ir aliuminio resursų visame pasaulyje gausu.
2) Vario ir aliuminio folijos taip pat yra gana stabilios ore. Aliuminis lengvai chemiškai reaguoja su ore esančiu deguonimi, sudarydamas ant paviršiaus tankią oksido plėvelę, užkertančią kelią tolesnei aliuminio reakcijai. Ši vario/aliuminio oksido plėvelė taip pat suteikia tam tikrą apsauginį poveikį aliuminiui elektrolite. Pats varis yra gana stabilus ore ir iš esmės nevyksta cheminių reakcijų sausame ore.
3) Ličio -jonų baterijų katodo ir anodo potencialai lemia, kad katodui naudojama aliuminio folija, o anodui – vario folija, ir jų negalima pakeisti. Katodo potencialas yra didelis, o vario folija lengvai oksiduojasi esant dideliam potencialui, o aliuminis turi didelį oksidacijos potencialą ir tankią oksido plėvelę ant jo paviršiaus, kuri taip pat gerai apsaugo vidinį aliuminį.
Metalinio aliuminio kristalinėse gardelėse vario ir aliuminio dydžiai yra panašūs į Li ir gali lengvai sudaryti intermetalinius junginius su Li, pvz., LiAl. Li ir Al gali ne tik sudaryti lydinį, kurio cheminė formulė LiAl, bet taip pat gali sudaryti Li9Al4, Li3Al2, Li5Al ir Li2Al lydinio sluoksnius. Šie lydinio sluoksniai sunaudoja daug Li ir pažeidžia paties Al struktūrą bei morfologiją, todėl jo negalima naudoti kaip ličio -jonų baterijų anodo srovės kolektoriaus; o Cu labai mažai tirpsta akumuliatoriaus įkrovimo-iškrovimo metu ir išlaiko struktūrinį bei elektrocheminį stabilumą, todėl tinka kaip ličio -jonų akumuliatorių anodo srovės rinktuvas. Vario folijai esant 3,5 V, poliarizacijos srovė pradeda žymiai didėti ir kyla tiesiškai, sustiprėjus oksidacijai, o tai rodo, kad baterijoje pradeda tirpti ir Cu; Tuo tarpu aliuminio folijos visame poliarizacijos potencialo diapazone poliarizacijos srovė yra maža ir stabili, nepastebėta jokių akivaizdžių korozijos reiškinių, išlaikant elektrocheminį stabilumą. Kadangi Al tirpimo kiekis ličio -jonų baterijų katodo potencialo diapazone yra labai mažas ir galima išlaikyti elektrocheminį stabilumą, jis tinka kaip katodo srovės kolektorius ličio -jonų akumuliatoriams.
Oksido sluoksnis ant vario/aliuminio paviršių priklauso puslaidininkiams ir praleidžia elektronus; jei oksido sluoksnis yra per storas, varža yra didelė; o aliuminio oksido sluoksnis ant aliuminio paviršiaus yra izoliatorius ir negali praleisti elektros, tačiau kadangi jis yra labai plonas, elektronų laidumas pasiekiamas naudojant tunelinį efektą; jei oksido sluoksnis storas, vario/aliuminio folijos laidumas yra prastas arba net izoliuojantis. Paprastai prieš naudojant vario/aliuminio foliją reikia nuvalyti nuo oksido sluoksnio, kad būtų pašalinta alyva, kita vertus, stori oksido sluoksniai. Katodo potencialas yra didelis, o aliuminio oksido sluoksnis yra labai tankus, o tai gali užkirsti kelią srovės kolektoriaus oksidacijai. Vario / nikelio ir tt oksido sluoksniai yra gana laisvi, todėl lengvai užkertamas kelias srovės rinktuvui ir užtikrinamas geresnis akumuliatoriaus veikimas. Tuo pačiu metu ličio -jonų baterijų anodo potencialas yra mažas, o varis / nikelis patirs oksidacijos reakcijas, o vario / nikelio paviršiuje vyksta oksidacijos / vario / de-litacijos reakcijos, o aliuminio lydinio LiAl vyksta dideliu potencialu.
Dabartinis kolektorius reikalauja grynos kompozicijos. Dėl Al priemaišų paviršiaus plėvelė bus mažiau tanki ir sukels taškinę koroziją, o dar sunkesnis paviršiaus plėvelės sunaikinimas sukelia LiAl lydinio susidarymą.
Dabartinis kolektorius reikalauja grynos kompozicijos. Dėl Al priemaišų paviršiaus plėvelė bus mažiau tanki, o tai sukels taškinę koroziją, o dar blogiau, jei paviršiaus plėvelė sunaikinama, susidaro LiAl lydinys.
Ličio -jonų akumuliatorių katodo aliuminio folija sumažinta nuo 16 μm iki 14 μm, tada iki 12 μm, o dabar 10 μm aliuminio folija jau gaminama masinėje gamyboje, kai kurios naudoja net 8 μm; anodo vario folija dėl iš prigimties geresnio lankstumo jos storis sumažintas nuo ankstesnių 12 μm iki 10 μm, tada iki 8 μm, o šiuo metu didelė dalis baterijų gaminama{9} masiškai naudojant 6 μm, o kai kurie gamintojai kuria 5 μm/4 μm, kuriuos taip pat galima naudoti. Kadangi ličio -jonų akumuliatoriams taikomi aukšti grynumo reikalavimai, keliami naudojamai vario folijai, medžiagos tankis iš esmės yra tokio paties lygio. Mažėjant kuriamam storiui, atitinkamai mažėja ir ploto tankis, o akumuliatoriaus svoris natūraliai tampa vis lengvesnis, o tai atitinka ličio{16}}jonų baterijų poreikį.
Srovės kolektorius, be jų storio ir svorio, turi įtakos ličio{0}}jonų akumuliatoriams, srovės kolektoriaus paviršiaus savybės taip pat turi didelę įtaką akumuliatoriaus gamybai ir veikimui. Ypač anodiniam srovės rinktuvui, dėl paruošimo technologijos defektų, rinkoje parduodamos varinės folijos dažniausiai yra vienpusės grublėtos, dvipusės grublėtos ir dvipusės grublėtos{4}. Ši asimetriška dvipusė struktūra sukels asimetrinį anodo dangos atsparumą kontaktams abiejose pusėse, todėl abiejose pusėse bus išvengta vienodo anodo talpos išlaisvinimo; tuo pačiu metu abiejų pusių asimetrija taip pat sukels nenuoseklų anodo dangos sukibimo stiprumą, dėl kurio labai nesubalansuotas abiejų pusių anodo dangos įkrovimo{7}}iškrovimo ciklas, o tai savo ruožtu pagreitina akumuliatoriaus talpos mažėjimą.
Vieno elemento katodinė formulė yra pagrindinė elemento technologija. Žemiau pateikiamas pavyzdys:
1) LiCoO₂ (10 μm): 96,0 %.
2) Laidus agentas (anglies ECP): 2,0%.
3) Rišiklis (PVDF 761): 2,0%.
4) Sukibimą skatinantis agentas (NMP): kietųjų medžiagų masės santykis yra maždaug 810:1496.
Katodų formulavimo atsargumo priemonės:
1) Katodo suspensijos klampumo kontrolė esant 6000 cP (1 cP=1mPa · s) (temperatūra 25 laipsniai).
2) NMP svoris turi būti tinkamai sureguliuotas, kad atitiktų klampumo reikalavimą.
3) Ypatingą dėmesį atkreipkite į temperatūros ir drėgmės įtaką klampumui.
Katodinė medžiaga ličio kobalto oksidas: katodo aktyvioji medžiaga, ličio jonų šaltinis, suteikia akumuliatoriui ličio šaltinį. Ne-polinė medžiaga, netaisyklingos formos, dalelių dydis D50 paprastai 6–8 μm, drėgmės kiekis Mažiau arba lygus 0,2%, dažniausiai šarminė, pH 10–11.
Katodinė medžiaga ličio mangano oksidas: ne{0}}polinė medžiaga, netaisyklingos formos, dalelių dydis D50 paprastai 5–7 μm, drėgmės kiekis mažesnis arba lygus 0,2%, paprastai silpnai šarminis, pH apie 8.
Laidi medžiaga:{0}}grandinę primenanti medžiaga, drėgmės kiekis<1%, particle size generally 1~5um.Superconductive carbon black with excellent conductivity is usually used, such as KetjenblackCarbon ECP and ECP600JD. lts function is to improve the conductivity of the cathode material,compensate for the electronic conductivity of the cathode active material; increase the electrolyteabsorption of the cathode sheet, expand the reaction interface, and reduce polarization.
Rišiklis (PVDF): ne{0}}polinė medžiaga, panaši į grandinę{1}}, kurios molekulinė masė svyruoja nuo 300 000 iki 3000 000; molekulinė masė sumažėja po vandens absorbcijos, todėl blogėja sukibimas. Naudojamas ličio kobalto oksidui, laidžiam agentui ir aliuminio folijai arba aliuminio tinkleliui sujungti Sukibimo skatintuvas (NMP): Silpnai polinis skystis, naudojamas PVDF tirpinti/brinkti ir kartu skiesti suspensiją.
Srovės kolektorius (katodinis skirtukas): pagamintas iš aliuminio folijos arba aliuminio juostelės.
Anodo struktūra
Elemento anodo struktūra susideda iš grafito medžiagos, laidžios medžiagos, tirštiklio (CMC), rišiklio (SBR) ir srovės kolektoriaus (vario folijos), kaip parodyta 7-3 pav.
Vieno elemento anodo formulė taip pat yra viena iš pagrindinių elementų technologijų, paprastai tokia:
1) Anodo medžiaga (grafitas): 94,5%.
2) Laidus agentas (anglies ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Rišiklis (stireno -butadieno gumos lateksas, SBR): 2,25 %.
4) Tirštiklis (karboksimetilceliuliozė, CMC): 2,25%.
5)Vanduo: kietųjų medžiagų masės santykis yra 1600:1417,5.
Anodo formulavimo atsargumo priemonės:
1) Anodo suspensijos klampumo kontrolė esant 5000–6000 cP (temperatūra 25 laipsnių).
2) Vandens svoris turi būti tinkamai sureguliuotas, kad atitiktų klampumo reikalavimą.
3) Ypatingą dėmesį atkreipkite į temperatūros ir drėgmės įtaką klampumui.
Grafitas: anodo aktyvioji medžiaga, pagrindinė medžiaga, sudaranti anodo reakciją, daugiausia suskirstyta į dvi pagrindines kategorijas: natūralus grafitas ir dirbtinis grafitas. Ne-polinė medžiaga, lengvai užteršta ne-polinėmis medžiagomis, lengvai išsklaidoma ne-polinėse medžiagose; nelengva sugerti vandenį ir lengvai pasiskirstyti vandenyje. Užterštas grafitas, pasklidęs vandenyje, linkęs iš naujo{5}}aglomeruotis. Bendras dalelių dydis D50 yra apie 20 μm. Dalelių formos yra įvairios ir dažniausiai netaisyklingos, daugiausia sferinės, sluoksniuotos, pluoštinės ir kt.
Laidžio agento funkcijos:
1) Pagerinkite anodo lakšto laidumą ir kompensuokite anodo aktyviosios medžiagos elektroninį laidumą.
2) Padidinkite reakcijos gylį ir panaudojimo greitį.
3) Užkirsti kelią dendritų susidarymui.
4) Panaudokite laidžių medžiagų skysčių sugeriamumą, kad padidintumėte reakcijos sąsają ir sumažintumėte poliarizaciją (galima pridėti arba ne, atsižvelgiant į grafito dalelių dydžio pasiskirstymą).
Priedai: sumažina negrįžtamas reakcijas, padidina sukibimo stiprumą ir suspensijos klampumą ir apsaugo nuo srutų nusėdimo.
Tirštiklis/anti{0}}nuosėdų agentas (CMC): didelės molekulinės masės junginys, lengvai tirpus vandenyje ir poliniuose tirpikliuose.
Izopropanolis: silpnai poliška medžiaga; po pridėjimo jis gali sumažinti rišiklio tirpalo poliškumą, pagerinti grafito ir rišiklio tirpalo suderinamumą; turi stiprų putų šalinimo efektą; lengvai katalizuoja kryžminį{0}}rišiklio tinklo susiejimą ir pagerina sukibimo stiprumą.
Etanolis: silpnai poliška medžiaga; po pridėjimo jis gali sumažinti rišiklio tirpalo poliškumą, pagerinti grafito ir rišiklio tirpalo suderinamumą; turi stiprų putų šalinimo efektą; lengvai katalizuoja linijinį kryžminį -rišiklio susiejimą ir pagerina sukibimo stiprumą (izopropanolio ir etanolio funkcijos iš esmės yra tos pačios; masinėje -gamyboje, pasirenkant, kurį pridėti, galima atsižvelgti į sąnaudų veiksnius).
Vandens pagrindo rišiklis (SBR): sujungia grafitą, laidžią medžiagą, priedus ir varinę foliją arba vario tinklelį; linijinės grandinės emulsijos molekulė, puikiai tirpi vandenyje ir poliniuose tirpikliuose.
Dejonizuotas vanduo (arba distiliuotas vanduo): skiediklis, pridėtas atitinkamu kiekiu, gali pakeisti srutų sklandumą.
Anodo skirtukas: pagamintas iš varinės folijos arba varinės juostelės.
