Wat is een lithium-ion oplaadbare batterij?

Lithium-ionbatterij is een secundaire batterij (oplaadbare batterij) die voornamelijk afhankelijk is van de beweging van lithiumionen tussen de positieve elektrode en de negatieve elektrode om te werken. Tijdens het laad- en ontlaadproces is Li+ ingebed en ingebed tussen de twee elektroden: bij het opladen wordt Li+ ingebed uit de positieve elektrode en ingebed in de negatieve elektrode door de elektrolyt en de negatieve elektrode bevindt zich in een lithium-rijke toestand; Bij het ontladen is het tegenovergestelde waar.

Deel 1: Inleiding tot batterijen
Lithiumbatterijen zijn verdeeld in lithiumbatterijen en lithium-ionbatterijen. Mobiele telefoons en laptops gebruiken lithium-ionbatterijen, die algemeen bekend staan ​​als lithiumbatterijen. Batterijen gebruiken over het algemeen materialen die lithiumelementen bevatten als elektroden en zijn de representatief van moderne krachtige batterijen. Echte lithiumbatterijen worden echter zelden gebruikt in dagelijkse elektronische producten vanwege hun hoge risico.
Lithium-ionbatterijen werden voor het eerst ontwikkeld door Sony Corporation of Japan in 1990. Het sluit lithiumionen in koolstof (petroleumcokes en grafiet) in om een ​​negatieve elektrode te vormen (traditionele lithiumbatterijen gebruiken lithium- of lithiumlegering als een negatieve elektrode). LIXCOO2 wordt vaak gebruikt als het positieve elektrodenmateriaal en Lixnio2 en Lixmno4 worden ook gebruikt. Lipf 6+ diethyleencarbonaat (EC)+dimethylcarbonaat (DMC) wordt gebruikt als de elektrolyt.
Petroleum cola en grafiet zijn niet-giftig en overvloedig in bronnen als negatieve elektrodenmaterialen. Lithiumionen zijn ingebed in koolstof, die de hoge activiteit van lithium overwint en de veiligheidsproblemen van traditionele lithiumbatterijen oplost. De positieve elektrode LIXCOO2 kan een hoog niveau bereiken die de leiding- en ontladingsprestaties en het leven bevindt, wat de kosten verlaagt. Kortom, de uitgebreide prestaties van lithium-ionbatterijen zijn verbeterd. Verwacht wordt dat lithium-ionbatterijen in de 21e eeuw een grote markt zullen bezetten.

Deel 2: Batterijverschillen
Lithium-ionbatterijen worden gemakkelijk verward met de volgende twee batterijen
Lithiumbatterijen: gebruik metallic lithium als de negatieve elektrode.
Lithium-ionbatterijen: gebruik niet-waterige vloeibare organische elektrolyten.
Lithium-ionpolymeerbatterijen: gebruik polymeren om vloeibare organische oplosmiddelen te geleren, of gebruik direct alle solide elektrolyten. Lithium-ionbatterijen gebruiken in het algemeen grafietkoolstofmaterialen als negatieve elektroden.

Deel 3: Hoofdtypen
Volgens de verschillende elektrolytmaterialen die worden gebruikt in lithium-ionbatterijen, worden lithium-ionbatterijen verdeeld in vloeibare lithium-ionbatterijen (vloeibaar lithium-ionbatterij, aangeduid als lib), gecondenseerde lithium-ionbatterijen en polymeer lithium-ionbatterijen (polymeer lithium-ionbatterij, verwezen naar PLB).
3.1 Vloeibare lithium-ionbatterijen
Oplaadbare lithium-ionbatterijen zijn de meest gebruikte batterijen in moderne digitale producten zoals mobiele telefoons en laptops. Daarom zijn er beschermende componenten of beschermingscircuits op de batterij om te voorkomen dat dure batterijen worden beschadigd. Lithium-ion-batterij-laadvereisten zijn erg hoog. Om ervoor te zorgen dat de nauwkeurigheid van de beëindigingspanningsspanning binnen ± 1%ligt, hebben grote fabrikanten van halfgeleiderapparaten een verscheidenheid aan lithium-ionbatterij-laad IC's ontwikkeld om veilig, betrouwbaar en snel opladen te garanderen.
Mainstream mobiele telefoons zijn uitgerust met lithium-ionbatterijen. Het juiste gebruik van lithium-ionbatterijen is erg belangrijk om de levensduur van de batterij te verlengen. Het kan worden gemaakt in platte rechthoekige, cilindrische, rechthoekige en knoopvormig volgens de vereisten van verschillende elektronische producten, en er zijn batterijpakketten samengesteld uit verschillende batterijen die in serie en parallel zijn aangesloten. De nominale spanning van lithium-ionbatterijen is over het algemeen 3,7 V vanwege materiaalveranderingen, terwijl die van lithiumijzerfosfaat-positieve elektroden 3,2 V is. De uiteindelijke ladingsspanning wanneer volledig opgeladen is over het algemeen 4,2 V, en die van lithiumijzerfosfaat is 3,65 V. De uiteindelijke ontladingsspanning van lithium-ionbatterijen is 2,75V tot 3. 0 v (de batterijfabriek geeft het werkspanningsbereik of de uiteindelijke ontladingsspanning en de parameters zijn enigszins verschillen Doorgaan met ontladen onder 2,5V (2. 0 V voor lithiumijzerfosfaat) wordt overontlading genoemd, wat de batterij zal beschadigen.
Lithium-ionbatterijen met lithiumkobaltoxide-type materialen als positieve elektroden zijn niet geschikt voor lozing met hoge stroom. Overmatige stroomafscheiding zal de ontladingstijd verminderen (binnen de hogere temperatuur zal binnen worden gegenereerd en de energie zal verloren gaan), en kan gevaarlijk zijn; Maar lithiumbatterijen met lithiumijzerfosfaat -positieve elektrodematerialen kunnen worden opgeladen en ontladen bij een hoge stroom van 20 ° C of zelfs groter (C is de capaciteit van de batterij, zoals C =800 MAH, 1C laadsnelheid betekent dat laadstroom 800 mA is), wat voor elektrische voertuigen is. Daarom geeft de fabrikant van de batterij de maximale ontladingsstroom, die minder moet zijn dan de maximale ontladingsstroom tijdens het gebruik.
Lithium-ionbatterijen hebben bepaalde temperatuurvereisten. De fabriek geeft het laadtemperatuurbereik, ontladingstemperatuurbereik en opslagtemperatuurbereik. Overspanning opladen zal permanente schade veroorzaken aan lithium-ionbatterijen. De laadstroom van lithium-ionbatterijen moet gebaseerd zijn op de aanbevelingen van de fabrikant van de batterij, en een stroombeperkende circuit is vereist om overstroom te voorkomen (oververhitting).
Het veelgebruikte laadsnelheid is 0. 25c ~ 1c. Bij het opladen met een grote stroom wordt de batterijtemperatuur vaak gedetecteerd om te voorkomen dat oververhitting de batterij beschadigt of een explosie veroorzaakt.
Lithium-ion batterij opladen is verdeeld in twee fasen: eerststroom opladen eerst en vervolgens constante spanning opladen wanneer deze dicht bij de beëindigingsspanning ligt. Een batterij met een capaciteit van 800 mAh heeft bijvoorbeeld een beëindigingslaadspanning van 4.2V. De batterij wordt opgeladen met een constante stroom van 800 mA (laadsnelheid is 1C). In het begin neemt de batterijspanning toe met een grote helling. Wanneer de batterijspanning dicht bij 4,2 V is, wordt deze gewijzigd in 4,2V constante spanningslasten, de stroom daalt geleidelijk en verandert de spanning niet veel. Wanneer de laadstroom daalt tot 1/10-50 C (de instellingswaarde van elke fabriek is anders en heeft geen invloed op het gebruik), wordt deze als bijna volledig beschouwd en kan het opladen worden beëindigd (sommige laders starten de timer na 1/10c en eindigen de laad na een bepaalde periode).
3.2 Condenseerde lithium-ionbatterij
Op 19 april 2023 bracht CATL een gecondenseerde batterij uit met een energiedichtheid van maximaal 500Wh/kg, die in 2023 massaproductiecapaciteit zal hebben.

Deel 4: Werkprincipe

Lithium-ionbatterijen gebruiken koolstofmaterialen als negatieve elektroden en lithium-bevattende verbindingen als positieve elektroden. Er is geen metalen lithium, alleen lithiumionen. Dit is een lithium-ionbatterij. Lithium-ionbatterijen verwijzen naar de algemene term voor batterijen met lithium-ionen ingebedde verbindingen als positieve elektrodenmaterialen. Het laad- en ontlaadproces van lithium-ionbatterijen is het proces van lithium-ioneninbedding en ontluiken. In het proces van het inbedden en ontstaan ​​van lithiumionen worden ook de inbedding en ontleding van equivalente elektronen aan lithiumionen vergezeld (het is gebruikelijk om inbedding of ontleding te gebruiken om de positieve elektrode te vertegenwoordigen, en het invoegen of de-invoer om de negatieve elektrode te vertegenwoordigen). Tijdens het opladen en ontladen worden lithiumionen ingebed/ingebed/ingebed en ingebracht/ingebracht/gedeeld door de positieve en negatieve elektroden, die levendig een "schommelstoelbatterij" wordt genoemd.
Wanneer de batterij wordt opgeladen, worden lithiumionen gegenereerd op de positieve elektrode van de batterij en bewegen de gegenereerde lithiumionen naar de negatieve elektrode door de elektrolyt. De koolstof als de negatieve elektrode heeft een gelaagde structuur en heeft 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. Evenzo, wanneer de batterij wordt ontladen (dat wil zeggen het proces van het gebruik van de batterij), worden de lithiumionen ingebed in de koolstoflaag van de negatieve elektrode vrijgegeven en teruggaan naar de positieve elektrode. Hoe meer lithiumionen die terugkeren naar de positieve elektrode, hoe hoger de ontladingscapaciteit.
Afbeelding
Over het algemeen wordt de laadstroom van lithiumbatterijen ingesteld tussen 0. 2C en 1C. Hoe groter de stroom, hoe sneller het opladen, en hoe groter de warmte van de batterij. Bovendien, als de stroom te groot is, zal de capaciteit niet vol zijn, omdat de elektrochemische reactie in de batterij tijd kost. Net als het gieten van bier, als je het te snel giet, zal het schuim produceren en niet vol zijn.

Deel 5: Componenten

Stalen schaal/aluminium shell/cilindrische/zachte verpakkingsserie
Positieve elektrode: het actieve materiaal is in het algemeen lithiummangaanoxide of lithiumkobaltoxide, nikkel kobaltmangaanoxidemateriaal en elektrische fietsen gebruiken in het algemeen nikkel kobaltmangaanoxide (algemeen bekend als ternair) of ternaire + een kleine hoeveelheid lithiummanganische oxide. Puur lithiummangaanoxide en lithiumijzerfosfaat vervagen geleidelijk vanwege grote omvang, slechte prestaties of hoge kosten. De geleidingsstroomcollector maakt gebruik van elektrolytische aluminiumfolie met een dikte van 10-20 micron.
Diafragma: een speciaal gevormde polymeerfilm met een microporeuze structuur waarmee lithiumionen vrij kunnen passeren, maar elektronen kunnen niet passeren.
Negatieve elektrode: het actieve materiaal is grafiet of koolstof met een grafietachtige structuur en de geleidingsstroomcollector gebruikt elektrolytisch koperen folie met een dikte van 7-15 micron.
Elektrolyt: carbonaatoplosmiddelen die lithiumhexafluorofosfaat oplossen, terwijl polymeren gelelektrolyten gebruiken.
Batterijschaal: verdeeld in stalen schaal (zelden gebruikt in vierkante batterijen), aluminium schaal, nikkel-vergulde ijzeren schaal (gebruikt in cilindrische batterijen), aluminium-plastic film (zachte verpakking), enz., Evenals de batterijkap, die ook de positieve en negatieve terminal van de batterij is.

Deel 6: Batterijsamenstelling

Zoals alle chemische batterijen, zijn lithium-ionbatterijen ook samengesteld uit drie delen: positieve elektrode, negatieve elektrode en elektrolyt. De elektrodematerialen zijn allemaal lithiumionen die kunnen worden ingebed (ingevoegd)/de-ingebedd (de-ingevoegde).
6.1 Positieve elektrodenmaterialen
1) Positieve elektrodematerialen
Er zijn veel optionele positieve elektrodematerialen en reguliere producten gebruiken meestal lithiumijzerfosfaat. Vergelijking van verschillende positieve elektrodematerialen:

2) Positieve elektrodenreactie
Lithiumionen worden tijdens ontslag ingevoegd en gedeintercaleerd tijdens lading.
Bij het opladen: lifePo4 → li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
Bij ontladen: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → lifePo4
6.2 Negatieve elektrodenmaterialen
1) Negatieve elektrodenmaterialen
Grafiet wordt meestal gebruikt. Uit nieuw onderzoek is gebleken dat titanaten een beter materiaal kunnen zijn. Negatieve elektrodenreactie: lithiumionen worden tijdens lading ingevoegd en gedeintercaleerd tijdens ontlading.
Bij het opladen: xli ++ xe -+ 6 c → lixc6
Bij ontladen: lixc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Over het algemeen verdeeld in de volgende categorieën:
Koolstof negatieve elektrodenmaterialen: de negatieve elektrodenmaterialen die daadwerkelijk worden gebruikt in lithium-ionbatterijen zijn in principe koolstofmaterialen, zoals kunstmatige grafiet, natuurlijk grafiet, mesofase koolstofmicrobeads, petroleum cola, koolstofvezel, pyrolytische hars koolstof, enz.
Op tin gebaseerde negatieve elektrodenmaterialen: op tin gebaseerde negatieve elektrodenmaterialen kunnen worden onderverdeeld in twee soorten: composietoxide op basis van tin-oxide en tin. Oxide verwijst naar oxiden van verschillende valentietoestanden van metalen blik. Er zijn geen commerciële producten.
Lithium-bevattende overgangsmetaal Nitride Negatieve elektrodenmaterialen: geen commerciële producten.
Legering negatieve elektrodenmaterialen: inclusief tin-gebaseerde legeringen, op siliconen gebaseerde legeringen, op Duitseium gebaseerde legeringen, op aluminium gebaseerde legeringen, op antimoon gebaseerde legeringen, op magnesium gebaseerde legeringen en andere legeringen, geen commerciële producten.
Nano-schaal negatieve elektrodenmaterialen: nano-koolstofbuizen, nano-legeringsmaterialen.
Nanomaterialen zijn nanooxidematerialen: Volgens de laatste marktontwikkelingstrends van de nieuwe energie-industrie voor lithiumbatterijen in 2009 zijn veel bedrijven begonnen met het gebruik van nanotitaniumoxide en nanosiliciumoxide om toe te voegen aan de traditionele grafiet-, tinoxide- en nanokoolstofbuizen, waardoor de laad- en ontlaadcapaciteit en laad- en ontlaadtijden van lithiumbatterijen aanzienlijk worden verbeterd.
6.3 Elektrolyt
Opgeloste: lithiumzouten worden vaak gebruikt, zoals lithiumperchloraat (liclo4), lithium hexafluorofosfaat (lipf6) en lithium tetrafluoroboraat (libf4).
Oplosmiddel: omdat de werkspanning van de batterij veel hoger is dan de ontledingsspanning van water, worden organische oplosmiddelen vaak gebruikt in lithium-ionbatterijen, zoals ether, ethyleencarbonaat, propyleencarbonaat, diethylcarbonaat, enz. Organische oplosmiddelen vaak vernietigen de structuur van grafiet tijdens het opladen, waardoor het een vaste electrolyt-interfase is (SEI) op het oppervlak. Organische oplosmiddelen brengen ook veiligheidsproblemen op, zoals ontvlambaarheid en explosie.
6.4 Geleidende coating
Koolstofgatte aluminiumfolie voor batterijen (geleidende coating)
Voordelen van met koolstof gecoate aluminiumfolie in lithium-ionbatterijtoepassingen
Batterijpolarisatie remmen, thermische effecten verminderen en de snelheidsprestaties verbeteren;
De interne weerstand van de batterij verminderen en de dynamische interne weerstandstoename tijdens het cyclusproces aanzienlijk verminderen;
Hoge consistentie, de levensduur van de batterijcyclus verhogen;
Hoge hechting tussen actieve stoffen en huidige verzamelaars, waardoor de productiekosten van poolstukken worden verlaagd;
Bescherm de huidige verzamelaar niet gecorrodeerd door de elektrolyt;
Verbeter de verwerkingsprestaties van lithiumijzerfosfaat en lithiumtitanaatmaterialen.
Het gebruik van functionele coatings om het oppervlak van het batterij Geleidend substraat te behandelen is een doorbraaktechnologische innovatie. Koolstofgecoate aluminiumfolie/koperen folie is om het gedispergeerde nano-geleide grafiet en koolstof-gecoate deeltjes op de aluminiumfolie/koperfolie gelijkmatig en fijn te bedekken. Het kan een uitstekende statische geleidbaarheid bieden en de microcurrent van het actieve materiaal verzamelen, waardoor de contactweerstand tussen het positieve/negatieve elektrodenmateriaal en de collector aanzienlijk wordt verminderd, en de hechting tussen de twee kan verbeteren, die de hoeveelheid gebruikte bindmiddel kan verminderen, waardoor de algehele prestaties van de batterij aanzienlijk worden verbeterd. De coating is verdeeld in twee soorten: op waterbasis (waterig systeem) en op olie gebaseerd (organisch oplosmiddelsysteem).

Deel 7: Voordelen en nadelen

7.1 Voordelen
Hoogspanning: de werkspanning van een enkele cel is zo hoog als 3. 7-3. 8V (3.2V voor lithiumijzerfosfaat), die 3 keer is van Ni-CD en Ni-MH-batterijen.
Grote specifieke energie: de werkelijke specifieke energie die kan worden bereikt, is ongeveer 555Wh/kg, dat wil zeggen dat het materiaal een specifieke capaciteit kan bereiken van meer dan 150 mAh/g ({3-4 keer dat van ni-cd, 2-3 maal die van Ni-MH), die ongeveer 88% van de theoretische waarde is.
Lange cycle -levensduur: over het algemeen kan het meer dan 500 keer bereiken, of zelfs meer dan 1000 keer, en lithiumijzerfosfaat kan 8000 keer bereiken. Voor elektrische apparaten met kleine stroomafvoer zal de levensduur van de batterij het concurrentievermogen van het apparaat verdubbelen.
Goede veiligheidsprestaties: geen vervuiling, geen geheugeneffect. Als voorganger van Li-ion hebben lithiumbatterijen hun toepassingsgebieden verminderd omdat metalen lithium gemakkelijk te vormen dendrieten en kortsluiting is: Li-ion bevat geen cadmium, lood, kwik en andere elementen die het milieu vervuilen; Een groot nadeel van Ni-CD-batterijen in sommige processen (zoals sinteren) is het "geheugeneffect", dat het gebruik van batterijen ernstig beperkt, maar Li-ion heeft dit probleem helemaal niet.
Lage zelfontlading: de zelfontladingspercentage van volledig geladen Li-ionbatterijen opgeslagen bij kamertemperatuur gedurende één maand is ongeveer 2%, wat veel lager is dan de 25-30% van Ni-CD en 30-35% van Ni-MH.
Snel opladen: de capaciteit van 1C opladen gedurende 30 minuten kan meer dan 80% van de nominale capaciteit bereiken, en de ijzer-fosforbatterij kan in 10 minuten worden opgeladen op 90% van de nominale capaciteit.
Bedrijfstemperatuur: de bedrijfstemperatuur is -25 ~ 45 graden. Met de verbetering van elektrolyt en positieve elektrode wordt verwacht dat deze wordt uitgebreid tot -40 ~ 70 graden.
7.2 Nadelen
Veroudering: in tegenstelling tot andere oplaadbare batterijen, zal de capaciteit van lithium-ionbatterijen langzaam afnemen, wat verband houdt met het aantal gebruikte keren en de temperatuur. Dit dalende fenomeen kan worden uitgedrukt door een afname van capaciteit of een toename van de interne weerstand. Omdat het gerelateerd is aan de temperatuur, wordt het eerder weergegeven in elektronische producten met een hoge werkstroom. Grafiet vervangen door lithiumtitanaat lijkt het leven te verlengen. De relatie tussen opslagtemperatuur en de snelheid van permanent capaciteitsverlies: