Што е батерија?
Структура на клетките
Една батерија, позната и како „ќелија“, е најмалата единица на батерискиот систем. Главно е составен од катода (Катодна електрода), анода (Анодна електрода), електролит (Електролит), сепаратор (Сепаратор) и куќиште (Случај), како што е прикажано на Слика 7-1.
Електродниот лист на литиум-јонска ќелија може да се категоризира како композитен материјал, главно составен од четири дела:
1) честички од активен материјал што интеркалираат или деинтеркалираат јони на литиум; катодните честички го обезбедуваат изворот на литиум, додека анодните честички прифаќаат литиумски јони.
2) Спроводлива фаза (фаза на јаглероден гел) формирана од мешавина на спроводлив агенс и струен колектор, при што врзивно средство служи за сврзувачка функција; облогата ги спроведува електроните низ струјниот колектор и спроводниот агенс.
3) Порите исполнети со електролит, кои служат како канали за транспорт на литиум- во рамките на електродата.
4) Тековен колектор.
За време на електрохемискиот процес, облогата на електродата главно ги вклучува следните 4 процеси:
1) Транспорт на електрони.
2) транспорт на јони.
3) Размена на полнење на интерфејсот на честички електролит/електрода, т.е. електрохемиската реакција.
4) Дифузија на јони на литиум во цврстата фаза. Во микроструктурата на листот на електродата, големината и дистрибуцијата на честичките влијаат на патеката на дифузија на литиум-јони и специфичната површина на електрохемиската реакција; големината и дистрибуцијата на порите влијаат на транспортниот процес на електролитот; порозноста влијае на количината на активниот материјал и специфичната површина на електрохемиската реакција. Сите овие микроструктурни карактеристики на крајот влијаат на перформансите на батеријата.
Катодна структура
Клеточната катода главно се состои од катодни материјали како LiCoO2, спроводлив агенс, врзивно средство (PVDF) и струен колектор (алуминиумска фолија), како што е прикажано на слика 7-2.
За литиум-јонски батерии, катодниот струен колектор обично е алуминиумска фолија, а анодниот струен колектор ебакарна фолија. За да се обезбеди стабилност на тековниот колектор во батеријата, чистотата на двете мора да биде над 98%. Причините зошто литиум{3}}јонските батерии користат алуминиумска фолија за катодата и бакарна фолија за анодата се следните 3 точки:
1) Бакар и алуминиум имаат добра електрична спроводливост, мека текстура и ниска цена. Принципот на работа на литиум-јонската батерија е електрохемиски уред кој ја претвора хемиската енергија во електрична енергија. Во овој процес, потребен е медиум за пренос на хемиската енергија во електрична енергија, за што е потребен спроводлив материјал. Меѓу обичните материјали, металите имаат најдобра електрична спроводливост, а меѓу металите, бакарот и алуминиумот нудат и одлична спроводливост и релативно ниска цена во форма на бакарна фолија и алуминиумска фолија. Кај литиум-јонските батерии, главно постојат два методи на обработка: намотување и натрупување. Во споредба со редење, намотувањето бара листовите на електродата што се користат за подготовка на батеријата да имаат одредена флексибилност за да се осигури дека листовите на електродата нема да станат кршливи или да се скршат за време на намотувањето. Меѓу металните материјали, бакарните и алуминиумските фолии се меки, релативно тврдите бакарни/алуминиумски фолии се скапи, бакарните и алуминиумските фолии се релативно евтини, а бакарните и алуминиумските ресурси се изобилни ширум светот.
2) Бакарните и алуминиумските фолии се исто така релативно стабилни во воздухот. Алуминиумот лесно реагира хемиски со кислородот во воздухот за да формира густа оксидна фолија на површината, спречувајќи понатамошна реакција на алуминиумот. Оваа оксидна фолија од бакар/алуминиум, исто така, обезбедува одреден заштитен ефект врз алуминиумот во електролитот. Самиот бакар е релативно стабилен во воздухот и во основа не подлежи на хемиски реакции на сув воздух.
3) Катодните и анодните потенцијали на литиум-јонските батерии одредуваат дека се користи алуминиумска фолија за катодата и бакарна фолија за анодата и тие не можат да се вратат назад. Катодниот потенцијал е висок, а бакарната фолија лесно се оксидира при висок потенцијал, додека алуминиумот има висок потенцијал на оксидација и густа оксидна фолија на неговиот површински слој, што исто така обезбедува добра заштита за внатрешниот алуминиум.
Во кристалната решетка од метален алуминиум, бакарот и алуминиумот имаат големини слични на Li и лесно можат да формираат меѓуметални соединенија со Li, како што е LiAl. Li и Al не само што можат да ја формираат легурата со хемиската формула LiAl, туку можат да формираат и слоеви од легура Li₉Al4, Li3Al2, Li5Al и Li2Al. Овие легирани слоеви трошат голема количина Li и ја оштетуваат структурата и морфологијата на самиот Al, така што не може да се користи како аноден струен колектор на литиум-јонски батерии; додека Cu се подложува на многу мало растворање за време на полнењето-празнење на батеријата и одржува структурна и електрохемиска стабилност, што го прави погоден како аноден струен колектор за литиум-јонски батерии. За бакарна фолија на 3,5 V, струјата на поларизација почнува значително да се зголемува и се зголемува линеарно, со засилена оксидација, што покажува дека Cu исто така почнува да се раствора во батеријата; додека за алуминиумска фолија низ целиот опсег на потенцијал за поларизација, струјата на поларизација е мала и стабилна, без забележани очигледни појави на корозија, одржувајќи ја електрохемиската стабилност. Бидејќи количината на растворање на Al во опсегот на катодниот потенцијал на литиум-јонските батерии е исклучително мала и може да се одржи електрохемиска стабилност, тој е погоден како катоден колектор на струја за литиум-јонски батерии.
Оксидниот слој на бакарни/алуминиумските површини припаѓа на полупроводници и спроведува електрони; ако оксидниот слој е премногу дебел, импедансата е голема; додека слојот од алуминиум оксид на алуминиумската површина е изолатор и не може да спроведува електрична енергија, но бидејќи е многу тенок, спроводливоста на електроните се постигнува преку ефектот на тунелирање; ако оксидниот слој е дебел, спроводливоста на бакарна/алуминиумската фолија е слаба или дури изолациона. Општо земено, бакарната/алуминиумската фолија треба да се исчисти од оксидниот слој пред употреба за да се отстрани маслото од една страна и густите оксидни слоеви од друга страна. Катодниот потенцијал е висок, а слојот од алуминиум оксид е многу густ, што може да спречи оксидација на тековниот колектор. Оксидните слоеви на бакар/никел итн. се релативно лабави, лесно го спречуваат тековниот колектор и обезбедуваат подобри перформанси на батеријата. Во исто време, анодниот потенцијал на литиум-јонските батерии е низок, а бакар/никел ќе претрпи реакции на оксидација, при што на површината на бакар/никел се случуваат реакции на оксидација/бакар/де-литијација, додека алуминиумот е подложен на легирање на LiAl при висок потенцијал.
Тековниот колектор бара чист состав. Нечистотиите во Al ќе ја направат површинската фолија помалку густа и ќе предизвикаат корозија со дупчиња, а уште посериозно, уништувањето на површинскиот филм доведува до формирање на легура LiAl.
Тековниот колектор бара чист состав. Нечистотиите во Al ќе предизвикаат површинскиот филм да биде помалку густ, што ќе доведе до корозија со дупчиња, а уште полошо, уништувањето на површинскиот филм резултира со формирање на легура LiAl.
За литиум{0}}јонските батерии, катодната алуминиумска фолија е намалена од 16μm на 14μm, потоа на 12μm, а сега алуминиумската фолија од 10μm е веќе во масовно производство, а некои користат дури и 8μm; за анодната бакарна фолија, поради нејзината инхерентно подобра флексибилност, нејзината дебелина е намалена од претходните 12μm на 10μm, потоа на 8μm, а во моментов голем дел од батериите масовно-се произведуваат со помош на 6μm, додека некои производители развиваат 5μm/4μm кои исто така се потенцијално употребливи. Бидејќи литиум{14}}јонските батерии имаат високи барања за чистота за користената бакарна фолија, густината на материјалот е во основа на исто ниво. Како што се намалува дебелината што се развива, густината на површината соодветно се намалува, а тежината на батеријата природно станува полесна и полесна, што ја задоволува побарувачката за литиум{16}}јонски батерии.
За тековните колектори, покрај нивната дебелина и тежина кои влијаат на литиум-јонските батерии, својствата на површината на тековниот колектор исто така имаат значително влијание врз производството и перформансите на батериите. Специјално за анодниот струен колектор, поради дефекти во технологијата на подготовка, бакарните фолии на пазарот се главно еднострани-групави, двострани-грубави и двострани-крупни сорти. Оваа асиметрична двострана структура ќе доведе до асиметрична отпорност на контакт на анодната обвивка од двете страни, со што ќе се спречи рамномерно ослободување на капацитетот на анодата од двете страни; во исто време, асиметријата на двете страни, исто така, ќе предизвика неконзистентна цврстина на адхезија на анодната обвивка, што резултира со сериозно неурамнотежен циклус на полнење-на празнење на анодната обвивка од двете страни, што пак го забрзува распаѓањето на капацитетот на батеријата.
Катодната формулација на една клетка е клучната основна технологија на ќелијата. Подолу е пример:
1)LiCoO2 (10μm): 96,0%.
2)Спроводен агенс (Carbon ECP): 2,0%.
3) Врзувач (PVDF 761): 2,0%.
4) Промотор на адхезија (NMP): тежинскиот однос на цврстите материи е приближно 810:1496.
Мерки на претпазливост за формулација на катоди:
1) Контрола на вискозност на катодна кашеста маса на 6000cP (1cP=1mPa · s) (температура 25 степени).
2) Тежината на NMP мора да биде соодветно прилагодена за да го исполни барањето за вискозност.
3) Обрнете посебно внимание на влијанието на температурата и влажноста на вискозноста.
Катоден материјал литиум кобалт оксид: катоден активен материјал, извор на литиум јони, обезбедува извор на литиум за батеријата. Неполарна супстанција, неправилна форма, големина на честички D50 генерално 6-8μm, содржина на влага помала или еднаква на 0,2%, обично алкална, pH 10-11.
Катоден материјал литиум манган оксид: Не-поларна супстанција, неправилна форма, големина на честички D50 генерално 5-7μm, содржина на влага помала или еднаква на 0,2%, обично слабо алкална, pH околу 8.
Проводен агенс: синџир-како супстанција, содржина на влага<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.
Врзувач (PVDF): Не-поларна супстанција, синџир-како, молекуларна тежина која се движи од 300000 до 3000000; молекуларната тежина се намалува по апсорпцијата на вода, што резултира со послаба адхезија. Се користи за поврзување на литиум кобалт оксид, спроводлив агенс и алуминиумска фолија или алуминиумска мрежа заедно со Промотор на адхезија (NMP): Слаба поларна течност, која се користи за растворање/отекување на PVDF и истовремено разредување на кашеста маса.
Тековен колектор (катодна јазиче): Изработен од алуминиумска фолија или алуминиумска лента.
Структура на анодна
Структурата на клеточната анодна се состои од графитен материјал, спроводлив агенс, згуснувач (CMC), врзивно средство (SBR) и струен колектор (бакарна фолија), како што е прикажано на Слика 7-3.
Формулацијата на анодата на една ќелија е исто така една од клучните основни технологии на ќелијата, обично како што следува:
1)Аноден материјал (графит): 94,5%.
2)Спроводен агенс (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Врзувач (стирен-бутадиен гумен латекс, SBR): 2,25%.
4) Згуснувач (карбоксиметил целулоза, CMC): 2,25%.
5) Вода: Тежинскиот однос на цврстите материи е 1600:1417,5.
Мерки на претпазливост за формулација на анодна:
1) Контрола на вискозност на анодна кашеста маса на 5000-6000cP (температура 25 степени).
2) Тежината на водата треба соодветно да се прилагоди за да се задоволат барањата за вискозност.
3) Обрнете посебно внимание на влијанието на температурата и влажноста на вискозноста.
Графит: Аноден активен материјал, главната супстанција што ја сочинува реакцијата на анодата, главно поделена во две големи категории: природен графит и вештачки графит. Не-неполарна супстанција, лесно контаминирана со непо-поларни супстанции, лесно дисперзирана во непо-неполарни супстанции; не е лесно да се апсорбира вода, ниту лесно да се растера во вода. Контаминираниот графит, откако ќе се распрсне во вода, има тенденција повторно да се-агломерира. Општата големина на честичките D50 е околу 20μm. Формите на честичките се разновидни и претежно неправилни, главно сферични, ронливи, влакнести итн.
Функции на спроводлив агенс:
1) Подобрете ја спроводливоста на анодниот лист и компензирајте ја електронската спроводливост на активниот материјал на анодата.
2) Зголемете ја длабочината на реакцијата и стапката на искористеност.
3) Спречете го создавањето на дендрити.
4) Искористете го капацитетот за апсорпција на течноста- на спроводливите материјали за да се зголеми интерфејсот на реакцијата и да се намали поларизацијата (може да се додаде или не според дистрибуцијата на големината на честичките од графит).
Адитиви: ги намалуваат неповратните реакции, ја зголемуваат јачината на врзувањето и вискозноста на кашеста маса и спречуваат седиментација на кашеста маса.
Згуснувач/против-средство за таложење (CMC): високомолекуларно соединение, лесно растворливо во вода и поларни растворувачи.
Изопропанол: слаба поларна супстанција; по додавањето, може да го намали поларитетот на растворот за врзивно средство, да ја подобри компатибилноста помеѓу графитот и растворот за врзивно средство; има силен депенест ефект; лесно го катализира вкрстеното-поврзување на мрежата за врзување и ја подобрува јачината на врзувањето.
Етанол: слаба поларна супстанција; по додавањето, може да го намали поларитетот на растворот за врзивно средство, да ја подобри компатибилноста помеѓу графитот и растворот за врзивно средство; има силен депенест ефект; лесно го катализира линеарното вкрстено-поврзување на врзивото и ја подобрува цврстината на врзувањето (функциите на изопропанолот и етанолот се во суштина исти; при масовно-производство, факторите на трошоците може да се земат предвид за да се избере кој да се додаде).
Врзувач на база на вода- (SBR): поврзува графит, спроводливо средство, адитиви и бакарна фолија или бакарна мрежа заедно; молекула на емулзија со линеарен синџир, екстремно растворлива во вода и поларни растворувачи.
Дејонизирана вода (или дестилирана вода): Разредувачот, додаден во соодветна количина, може да ја промени флуидноста на кашеста маса.
Јазиче за анодна: Изработено од бакарна фолија или бакарна лента.
