Lithiumbatterijen zijn een nieuw type energieke batterij die succesvol is ontwikkeld in de 20e eeuw. Ze kunnen worden opgevat als batterijen die lithiumelementen bevatten (inclusief metalen lithium, lithiumlegeringen, lithiumionen en lithiumpolymeren). Ze kunnen worden verdeeld in lithiummetaalbatterijen (zelden geproduceerd en gebruikt) en lithiumionbatterijen (nu in grote hoeveelheden gebruikt). Vanwege de voordelen zoals hoge specifieke energie, hoge batterijspanning, brede bedrijfstemperatuurbereik en lange opslagleven, zijn ze op grote schaal gebruikt in militaire en civiele kleine elektrische apparaten, zoals mobiele telefoons, draagbare computers, camcorders, camera's, enz., Vervanging van traditionele batterijen.
Oorsprong en ontwikkeling van lithium-ionbatterijen
- In de jaren zeventig gebruikte mevrouw Whittingham van Exxon titaniumsulfide als het positieve elektrodenmateriaal en metaallithium als het negatieve elektrodenmateriaal om de eerste lithiumbatterij te maken.
- In 1980 ontdekte J. Goodenough dat lithiumkobaltoxide kan worden gebruikt als het positieve elektrodenmateriaal van lithium-ionbatterijen.
- In 1982 ontdekten Rragarwal en Jrselman van het Illinois Institute of Technology dat lithiumionen de eigenschap hebben ingebed in grafiet, en dit proces is snel en omkeerbaar. Tegelijkertijd hebben de veiligheidsrisico's van lithiumbatterijen gemaakt van metalen lithium veel aandacht getrokken, dus mensen hebben geprobeerd de eigenschappen van lithiumionen te gebruiken die in grafiet zijn ingebed om oplaadbare batterijen te maken. De eerste bruikbare lithium-ion-grafietelektrode werd met succes getest geproduceerd door Bell Laboratories.
- In 1983 ontdekten M.Thackeray, J.Goodenough en anderen dat mangaanspinel een uitstekend positief elektrodenmateriaal is met lage prijs, stabiliteit en uitstekende elektrische en lithiumgeleidbaarheid. Het heeft een hoge ontledingstemperatuur en de oxideerbaarheid ervan is veel lager dan die van lithiumcobaltoxide. Zelfs als kortsluiting of overbelasting optreedt, kan dit het gevaar van verbranding en explosie voorkomen.
- In 1989 ontdekten A.Manthiram en J.Goodenough dat de positieve elektrode met gepolymeriseerde anionen een hogere spanning zal produceren.
- In 1991 bracht Sony de eerste commerciële lithium-ionbatterij uit. Vervolgens brachten lithium-ionbatterijen een revolutie teweeg in het uiterlijk van consumentenelektronica.
- In 1996 ontdekten Padhi en Goodenough dat fosfaten met olivijnstructuren, zoals lithiumijzerfosfaat (LIFEPO4), superieur zijn aan traditionele positieve elektrodematerialen en daarom de huidige mainstream positieve elektrodenmaterialen zijn geworden.
Lithium-ionbatterijen (LI-ionbatterijen) zijn ontwikkeld uit lithiumbatterijen. Dus voordat we Li-ion introduceren, laten we eerst lithiumbatterijen introduceren. Batterijen van de knop horen bijvoorbeeld tot lithiumbatterijen. Het positieve elektrodenmateriaal van lithiumbatterijen is mangaandioxide of thionylchloride en de negatieve elektrode is lithium. Nadat de batterij is gemonteerd, heeft de batterij spanning en hoeft niet te worden opgeladen. Dit type batterij kan ook worden opgeladen, maar de cyclusprestaties zijn niet goed. Tijdens de ladings- en ontladingscyclus worden lithiumdendrieten gemakkelijk gevormd, waardoor interne kort circuits in de batterij veroorzaken, dus onder normale omstandigheden is dit type batterij verboden om te worden opgeladen.
Later bedacht Sony Corporation van Japan een lithiumbatterij met koolstofmateriaal als de negatieve elektrode en lithium-bevattende verbindingen als de positieve elektrode. Tijdens het lading- en ontslagproces is er geen metalen lithium, alleen lithiumionen. Dit is een lithium-ionbatterij.
In het begin van de jaren negentig ontwikkelde Sony Energy Development Company van Japan en Moli Energy Company van Canada met succes een nieuw type lithium-ionbatterij, dat niet alleen goede prestaties heeft, maar ook milieuvriendelijk is. Met de snelle ontwikkeling van informatietechnologie, handheld-machines en elektrische voertuigen, is de vraag naar zeer efficiënte stroombronnen dramatisch toegenomen en zijn lithiumbatterijen een van de snelstgroeiende velden geworden.
Structuur en principe van lithium-ionbatterijen
(1) Hoofdcomponenten van lithium-ionbatterijen:
① Positieve elektrode - Actieve materialen verwijzen voornamelijk naar lithiumkobaltoxide, lithiummangaanoxide, lithiumijzerfosfaat, lithium nikkeloxide, nikkel kobaltmangaanoxide, enz. De geleidingsstroomcollector gebruikt in het algemeen aluminiumfolie met een dikte van 10-20} micro's;
② Diafragma - Een speciale plastic film waarmee lithiumionen kunnen passeren, maar een isolator voor elektronen is. Momenteel zijn er voornamelijk twee soorten: PE en PP en hun combinaties. Er is ook een type anorganisch vaste diafragma, zoals alumina -diafragma coating, een anorganisch vast diafragma;
③ Negatieve elektrode - Het actieve materiaal verwijst voornamelijk naar grafiet-, lithiumtitanaat- of koolstofmaterialen met een structuur vergelijkbaar met grafiet. De geleidende stroomverzamelaar gebruikt in het algemeen koperenfolie met een dikte van 7-15 micron;
④ Elektrolyt - Over het algemeen een organisch systeem, zoals carbonaatoplosmiddelen opgelost met lithiumhexafluorofosfaat, en sommige polymeerbatterijen gebruiken gelelektrolyten;
⑤ Batterijschaal - voornamelijk verdeeld in harde schaal (stalen schaal, aluminium schaal, nikkel -vergulde ijzeren schaal, enz.) En zacht pakket (aluminium plastic film).
Wanneer de batterij wordt opgeladen, worden lithiumionen gedeintercaleerd van de positieve elektrode en ingebed in de negatieve elektrode en vice versa tijdens ontlading. Dit vereist dat een elektrode in een lithium-geïntercaleerde toestand is vóór de montage. Over het algemeen worden lithium-geïntercaleerde overgangsmetaaloxiden met een potentieel groter dan 3V ten opzichte van lithium en stabiel in de lucht geselecteerd als positieve elektroden, zoals liCOO2, linio2 en limn2O4.
As the negative electrode material, lithium-embeddable compounds with a potential as close to the lithium potential as possible are selected, such as various carbon materials including natural graphite, synthetic graphite, carbon fiber, mesophase spherulite, etc. and metal oxides, including SnO, SnO2, tin composite oxide SnBxPyOz (x=0.4~0.6, y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2), etc.
De elektrolyt hanteert een gemengd oplosmiddelsysteem van alkylcarbonaten zoals ethyleencarbonaat (EC), propyleencarbonaat (PC) en lage viscositeit diethylcarbonaat (dec) van LIPF6.
Het diafragma hanteert polyolefinemicroporeuze membranen zoals PE, PP of hun composietmembranen, met name de PP\/PE\/PP drielaagse diafragma, die niet alleen een laag smeltpunt heeft, maar ook een hoge lekweerstandsterkte heeft, die een rol van thermische verzekeringen speelt.
De schaal is gemaakt van staal of aluminium, en de dekmontage heeft de functie van explosiebestendige power-off.
(2) Basiswerkprincipe
Bij het opladen van de batterij worden lithiumionen vrijgegeven uit de lithium-bevattende verbinding in de positieve elektrode en bewegen de lithiumionen naar de negatieve elektrode door de elektrolyt. Het koolstofmateriaal in de negatieve elektrode heeft een gelaagde structuur met veel micropores. De lithiumionen die de negatieve elektrode bereiken, zijn ingebed in de microporiën van de koolstoflaag. Hoe meer lithiumionen zijn ingebed, hoe hoger de laadcapaciteit.
Bij het ontladen van de batterij (dwz het proces van het gebruik van de batterij), worden de lithiumionen ingebed in de koolstoflaag van de negatieve elektrode vrijgegeven en gaan terug naar de positieve elektrode. Hoe meer lithiumionen die terugkeren naar de positieve elektrode, hoe hoger de ontladingscapaciteit. Wat we meestal batterijcapaciteit noemen, verwijst naar de ontladingscapaciteit.
Tijdens het laad- en ontlaadproces van lithium-ionbatterijen bevinden lithiumionen zich in een bewegingstoestand van positieve elektrode → negatieve elektrode → positieve elektrode. Dit is als een schommelstoel, waarbij de twee uiteinden van de schommelstoel de twee palen van de batterij zijn, en lithiumionen die heen en weer bewegen aan de twee uiteinden van de schommelstoel. Daarom worden lithium-ionbatterijen ook wel schommelstoelbatterijen genoemd.
Opladen en ontladen mechanisme
- Het laadproces van lithium-ionbatterijen is verdeeld in twee fasen: constante stroomlaadfase en constante spanningsstroom afnemende laadfase.
- Overladen en ontladen van lithium-ionbatterijen zal permanente schade aan de positieve en negatieve elektroden veroorzaken. OverdiStisering zorgt ervoor dat de koolstofplaatstructuur van de negatieve elektrode instort en de instorting zal voorkomen dat lithiumionen worden ingevoegd tijdens het opladen; Overladen zorgt ervoor dat te veel lithiumionen worden ingebed in de koolstofstructuur van de negatieve elektrode, waardoor sommige van de lithiumionen niet langer worden vrijgegeven.
- De beste oplaad- en ontlaadmethode voor lithium-ionbatterijen om de prestaties te behouden is ondiep opladen en ondiepe lozing. Over het algemeen is 60% DoD 2 tot 4 keer de levensduur van de cyclus onder 100% DOD -omstandigheden.
Hoofdprestatie-indicatoren van lithium-ionbatterijen
(1) Batterijcapaciteit
De capaciteit van een batterij kan worden onderverdeeld in nominale capaciteit en werkelijke capaciteit. De nominale capaciteit van een batterij verwijst naar de hoeveelheid elektriciteit die de batterij moet leveren wanneer deze wordt ontslagen in de beëindigingsspanning met een snelheid van 5 uur onder een omgevingstemperatuur van 20 graden ± 5 graden en wordt weergegeven door C5. De werkelijke capaciteit van een batterij verwijst naar de werkelijke hoeveelheid elektriciteit die door de batterij wordt ontslagen onder bepaalde ontladingsomstandigheden, die voornamelijk wordt beïnvloed door de ontladingssnelheid en temperatuur (zo strikt genomen moet de batterijcapaciteit de oplaad- en loingsomstandigheden aangeven).
Capaciteitseenheid: mah, ah (1Ah =1000 mah).
(2) Batterij interne weerstand
De interne weerstand van de batterij verwijst naar de weerstand die door de stroom door de batterij stroomt wanneer de batterij werkt. Het bestaat uit twee delen: ohmse interne weerstand en interne weerstand van polarisatie. Een interne weerstand van een grote batterij zal leiden tot een lagere ontladingsspanning en een kortere afvoertijd. De grootte van de interne weerstand wordt voornamelijk beïnvloed door factoren zoals het batterijmateriaal, het productieproces en de batterijstructuur. De interne weerstand van de batterij is een belangrijke parameter voor het meten van de prestaties van de batterij.
(3) spanning
Open circuitspanning verwijst naar het potentiaalverschil tussen de positieve en negatieve elektroden van de batterij wanneer de batterij niet werkt, dat wil zeggen wanneer er geen stroom in het circuit stroomt. Over het algemeen is de open circuitspanning van een lithium-ionbatterij ongeveer 4. 1-4. 2v nadat deze volledig is opgeladen, en ongeveer 3. 0 V nadat deze is ontslagen. De laadstatus van de batterij kan worden bepaald door de open circuitspanning van de batterij te detecteren.
De bedrijfsspanning, ook bekend als de terminalspanning, verwijst naar het potentiaalverschil tussen de positieve en negatieve elektroden van de batterij wanneer de batterij zich in de werkstatus bevindt, dat wil zeggen wanneer er stroom in het circuit stroomt. Wanneer de batterij zich in de werkstatus bevindt, wanneer de stroom door de batterij stroomt, hoeft deze niet de weerstand te overwinnen die wordt veroorzaakt door de interne weerstand van de batterij, dus de werkspanning is altijd lager dan de open circuitspanning en het tegenovergestelde is waar bij het opladen. De ontladingswerkspanning van lithium-ionbatterijen is ongeveer 3,6 V.
(4) Lozingsplatformtijd
De ontslagplatformtijd verwijst naar de ontladingstijd wanneer de batterij volledig op een bepaalde spanning wordt opgeladen. De ontladingsplatformtijd van een ternaire batterij bij 3,6 V wordt bijvoorbeeld gemeten. De spanning wordt opgeladen op 4.2V bij een constante spanning en de laadstroom is minder dan 0. 02c, dan wordt het opladen gestopt, dat wil zeggen nadat de batterij volledig is opgeladen en vervolgens 10 minuten wordt achtergelaten. De ontladingstijd wanneer deze wordt ontslagen tot 3,6V bij elke ontladingsstroom is het ontladingsplatformtijd op die stroom.
Omdat de werkspanning van sommige elektrische apparaten met behulp van lithium-ionbatterijen spanningsvereisten heeft, als deze lager is dan de vereiste waarde, werkt deze niet. Daarom is het ontladingsplatform een van de belangrijke criteria voor het meten van de prestaties van batterijen.
(5) Laad- en ontslagpercentage
De lading en ontladingssnelheid verwijst naar de huidige waarde die de batterij vereist is om de nominale capaciteit binnen een gespecificeerde tijd te ontladen. 1C is numeriek gelijk aan de nominale capaciteit van de batterij en wordt meestal weergegeven door de letter C. Bijvoorbeeld, als de nominale nominale capaciteit van de batterij 1 0 ah is, dan is 10a 1C (1 snelheid), 5a is 0,5c, 100a is 10c, enzovoort.
(6) Zelfontladingspercentage
De zelfontladingssnelheid, ook bekend als laadbehoudcapaciteit, verwijst naar het vermogen van de batterij om de hoeveelheid elektriciteit die in de batterij is opgeslagen onder bepaalde omstandigheden te behouden wanneer de batterij zich in een open circuitstaat bevindt. Het wordt voornamelijk beïnvloed door factoren zoals het productieproces, materialen en opslagomstandigheden van de batterij. Het is een belangrijke parameter voor het meten van batterijprestaties.
(7) Efficiëntie
De laadefficiëntie verwijst naar de maat van de mate waarin de elektrische energie die de batterij tijdens het laadproces verbruikt, wordt omgezet in de chemische energie die de batterij kan opslaan. Het wordt voornamelijk beïnvloed door het batterijproces, de formule en de werkomgevingstemperatuur van de batterij. Over het algemeen, hoe hoger de omgevingstemperatuur, hoe lager de laadefficiëntie.
Ontladingsefficiëntie verwijst naar de verhouding van de werkelijke hoeveelheid elektriciteit die is ontslagen in de terminalspanning onder bepaalde ontladingscondities tot de nominale capaciteit van de batterij. Het wordt voornamelijk beïnvloed door factoren zoals ontladingssnelheid, omgevingstemperatuur en interne weerstand. Over het algemeen, hoe hoger de ontladingssnelheid, hoe lager de ontladingsefficiëntie. Hoe lager de temperatuur, hoe lager de ontladingsefficiëntie.
(8) Cycle Life
De levensduur van de batterijcyclus verwijst naar het aantal laad- en ontladingsmijden dat een batterij onder een bepaald laad- en ontslagregime ondergaat wanneer de batterijcapaciteit daalt tot een bepaalde opgegeven waarde. De GB voor lithium-ionbatterijen bepaalt dat de capaciteitsretentie van een batterij na 500 cycli bij 1C boven 60%is.
Hoofdclassificaties van lithium-ionbatterijen
① Volgens de verschillende elektrolytmaterialen die in lithiumbatterijen worden gebruikt, kunnen lithiumbatterijen worden verdeeld in twee categorieën: vloeibare lithiumbatterijen (lithium -ionbatterijen, LIB genoemd) en polymeerlithiumbatterijen (polymeer lithium ionbatterijen, aangeduid als lip).
② Volgens de laadmethode kunnen ze worden onderverdeeld in twee categorieën: niet-oplaadbaar en oplaadbaar.
③ Lithium Battery Uiterlijk: vierkante lithiumbatterij (zoals veelgebruikte batterijen voor mobiele telefoons) en cilindrisch (zoals 18650, 18500);
④ Lithium -batterijverpakkingsmaterialen: aluminium shell lithiumbatterij, stalen schaal lithiumbatterij, soft pack batterij;
⑤ Lithium -batterij van de positieve en negatieve elektrodenmaterialen (additieven): lithium kobaltoxide (liCOO2) batterij, lithiummangaanoxide (limn2O4), lithiumijzerfosfaatbatterij, wegwerp mangaan dioxide lithium batterij
