Geschichte der Lithiumbatterien

Erstens das leichteste Metall

Lithium wurde 1817 von dem Studenten des schwedischen Chemikers Bezilius, Alfetson, entdeckt, der es Lithium nannte. Bis 1950 verwendeten Nakamoto und Maggien das Verfahren des elektrolytischen Schmelzens von Lithiumchlorid, um Metalllithium zu erhalten. Die industrielle Lithiumproduktion wurde 1893 von Gensa vorgeschlagen. Lithium dauerte 76 Jahre, bevor es als Element der industriellen Produktion identifiziert wurde. Jetzt wird LiCl durch Elektrolyse von LiCl hergestellt, das immer noch viel elektrische Energie verbraucht. Es verbraucht bis zu 6.000 bis 70.000 kWh pro Tonne Lithium.

Lithium dient der Ärzteschaft seit mehr als 100 Jahren nach seiner Geburt hauptsächlich als Gichtmittel. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) war die erste, die Lithium-Primärbatterie-Forschung durchführte, da ihre Analyse ergab, dass Lithium-Batterien die höchste Spannung bei kleinstem Volumen liefern können. Gemäß P = UI hat Lithium eine hohe Energiedichte, so dass eine Lithiumbatterie eine effiziente Batterie ist.

Die Batteriespannung hängt eng mit der Aktivität des negativen Elektrodenmetalls zusammen. Als sehr aktives Alkalimetall kann die Lithiumbatterie eine höhere Spannung liefern. Beispielsweise kann eine Lithiumbatterie 3 V liefern, eine 2-Leiter-Batterie nur 2,1 V und eine Kohlenstoff-Zink-Batterie nur 1,5 V. Ein weiteres Merkmal von Lithium ist "Licht". Die Dichte von Lithium beträgt 0,53 g / cm3, was das leichteste aller Metalle ist und so leicht sein kann wie in Kerosin. Als Element Nr. 3 besteht in der Natur vorhandenes Lithium aus zwei stabilen Isotopen, 6Li und 7Li, so dass die relative Atommasse von Lithium nur 6,9 beträgt. Dies bedeutet, dass Metalllithium mehr Elektronen als andere reaktive Metalle bei gleicher Masse liefert. Darüber hinaus hat Lithium einen weiteren Vorteil. Das Lithiumion hat einen kleinen Ionenradius, so dass sich Lithiumionen im Elektrolyten leichter bewegen als andere große Ionen.

Metalllithium hat viele Vorteile, aber es gibt immer noch viele Schwierigkeiten bei der Herstellung von Lithiumbatterien zu überwinden. Erstens ist Lithium ein sehr aktives Alkalimetallelement, das mit Wasser und Sauerstoff reagiert und bei Raumtemperatur mit Stickstoff reagiert. Für so einen ungezogenen Kerl ist es sehr schwierig, es zu retten. Es schwimmt sowohl im Wasser als auch im Kerosin. Die Chemiker zwangen es schließlich in das Vaseline-Öl oder flüssiges Paraffin. Dies führt dazu, dass die Lagerung, Verwendung oder Verarbeitung von metallischem Lithium viel komplizierter als andere Metalle ist und die Umweltanforderungen sehr hoch sind. Daher werden Lithiumbatterien seit langem nicht mehr verwendet. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie wurden die technischen Hindernisse für Lithiumbatterien nacheinander überwunden. Lithiumbatterien haben nach und nach die Bühne betreten, und Lithiumbatterien haben eine große praktische Bühne betreten.

Zweitens die Metalllithiumbatterie

1958 betrachtete Harris Lithium als ein Alkalimetall zur Reaktion mit Wasser und Luft und schlug die Verwendung organischer Elektrolyte als Elektrolyte für Lithiummetallbatterien vor. Entsprechend den relevanten Arbeitsanforderungen der Batterie muss das organische Elektrolytlösungsmittel drei Eigenschaften haben: 1 Lösungsmittel ist ein polares Lösungsmittel, die Löslichkeit des Lithiumsalzes im polaren Lösungsmittel ist groß und die Leitfähigkeit des Elektrolyten ist groß; 2 das Lösungsmittel muss aprotisch sein Ein polares Lösungsmittel, da das protonenhaltige Lösungsmittel leicht mit Lithium reagiert; In 3 hat das Lösungsmittel einen niedrigeren Schmelzpunkt und einen höheren Siedepunkt, so dass der Elektrolyt einen möglichst breiten Temperaturbereich aufweist. Die Idee dieses Konzepts wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft sofort erkannt und löste viel Forschung und Entwicklung aus.

Bei der Entwicklung von Metalllithium-Primärbatterien wurden die elektrochemischen Eigenschaften herkömmlicher Kathodenmaterialien wie Ag, Cu und Ni nicht erfüllt, und die Menschen müssen neue Kathodenmaterialien finden. 1970 verwendete die japanische Sanyo Corporation Mangandioxid als positives Elektrodenmaterial, um die erste kommerzielle Lithiumbatterie herzustellen. 1973 begann Panasonic mit der Massenproduktion einer Lithium-Primärbatterie mit einem positiven Material der positiven Elektrode aus einem fluorierten Kohlenstoffmaterial als positiver Elektrode. 1976 wurde eine Lithium-Jod-Primärbatterie mit Jod als positiver Elektrode eingeführt. Dann sind einige batteriespezifische Batterien wie Lithium-Silber-Vanadiumoxid-Batterien (Li / Ag2V4O11) entstanden. Diese Batterien werden hauptsächlich in implantierbaren Herzgeräten verwendet. Nach den 1980er Jahren wurden die Kosten für den Lithiumabbau stark gesenkt und die Vermarktung von Lithiumbatterien begann.

Frühe Metalllithiumbatterien waren Primärbatterien, die nur einmal verwendet und nicht aufgeladen werden konnten. Der Erfolg von Lithiumbatterien hat die Begeisterung der Menschen, weiterhin wiederaufladbare Batterien zu entwickeln, stark stimuliert, und der Auftakt zur Entwicklung von Lithium-Sekundärbatterien wurde eröffnet. 1972 entwickelte Exxon Titandisulfid als positives Elektrodenmaterial und Lithiummetall als negatives Elektrodenmaterial, um die weltweit erste Metalllithium-Sekundärbatterie zu entwickeln. Diese wiederaufladbare Lithiumbatterie bietet eine hervorragende Leistung für das 1000-fache Laden und Entladen und keinen Verlust von mehr als 0,05% pro Zyklus.

Die Forschung an Lithium-Sekundärbatterien war sehr intensiv, aber die Sekundärbatterien mit Metalllithium als negativer Elektrode wurden bisher nicht kommerziell hergestellt, da Lithium-Sekundärbatterien das Sicherheitsproblem des Ladens nicht gelöst haben. Wenn die Lithiumbatterie geladen wird, werden Lithiumionen als Elektronen in der negativen Elektrode ausgefällt, aber die Abscheidungsgeschwindigkeit von Lithium auf der Elektrode ist nicht dieselbe, so dass das Metalllithium die Oberfläche der Elektrode nicht gleichmäßig bedeckt, sondern während dieser gebildet wird der Abscheidungsprozess. Dendritische Kristalle Diese dendritischen Kristalle durchlaufen einen Lade- / Entladezyklus. Wenn die Länge des Zweigs groß genug ist, kann er von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode angeschlossen werden, was einen Kurzschluss innerhalb der Batterie verursacht. Dies kann zu einer starken Wärmeabgabe von der Batterie führen, wodurch sich die Batterie entzünden oder explodieren kann. Nach 1989 stellten die meisten Unternehmen die Entwicklung von Lithium-Sekundärbatterien ein.

Drittens flüssige Lithium-Ionen-Batterie

Um die bei der Ausfällung von metallischem Lithium entstehenden dendritischen Kristalle zu lösen, schlug Armand 1980 erstmals das Konzept von RCB vor. Die Metallpole verwenden kein metallisches Lithium mehr, sondern eine Chimäre auf Lithiumbasis. In der Chimäre liegt metallisches Lithium nicht in Form von Kristallen vor, sondern in Form von Ionen und Elektronen in den Zwischenräumen zwischen den Chimären. Während des Ladens treibt der Strom die Lithiumionen in der positiven Elektrodenanpassung aus, und diese Lithiumionen "schwimmen" durch den Elektrolyten zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode in die negative Elektrodenanpassung; Während der Entladung werden die Lithiumionen von der negativen Elektrode eingebettet, wobei die Verbindung durch den Elektrolyten zurück in die positive Elektrodenanordnung "schwimmt". Daher ist der Prozess des Ladens und Entladens der Prozess der Interkalation und Deinterkalation von Lithiumionen. Lithiumionen können an den Polen der Batterie schwingen, daher wird sie auch als "Schaukelstuhlbatterie" (abgekürzt als RCB) bezeichnet.

Das erste negativ eingebettete Material ist das, mit dem wir vertraut sind, aber Graphit. Wie wir alle wissen, hat Graphit eine Schichtstruktur mit einem Schichtabstand von 0,355 nm und einem Lithiumion von nur 0,07 nm, so dass es leicht in Graphit eingefügt werden kann, um eine Graphit-Interkalationsverbindung mit einer Zusammensetzung von C6Li zu bilden. Im Jahr 1982 entdeckten RR Agarwal und JR Selman vom Illinois Institute of Technology, dass Lithiumionen die Eigenschaft haben, in Graphit eingebettet zu sein. Sie fanden heraus, dass der Prozess der Lithiumionen-Interkalation zu Graphit nicht nur schnell, sondern auch reversibel ist.

Die Suche nach dem in die positive Elektrode eingebetteten Material begann bereits in der Zeit der Lithium-Sekundärbatterie. 1970 entdeckte MS Whittingham, dass Lithiumionen reversibel in das Schichtmaterial TiS2 eingebettet werden können, das für Lithiumbatterieanoden geeignet ist. 1980 fand der amerikanische Physikprofessor John Goodenough eine neue Substanz, LiCoO2, die ebenfalls eine graphitartige Schichtstruktur aufweist . 1982 entdeckte Goodenough das spinellstrukturierte LiMn2O4, das einen dreidimensionalen Lithiumionen-Deinterkalationskanal bereitstellt, während das gemeinsame Kathodenmaterial nur einen zweidimensionalen Diffusionsraum aufweist. Darüber hinaus hat LiMn2O4 eine hohe Zersetzungstemperatur und ist viel weniger oxidierend als Lithiumcobaltat (LiCoO2), so dass es sicherer ist. 1996 entdeckte Goodenough LiFePO4 mit einer Olivenbaumstruktur. Dieses Material hat eine höhere Sicherheit, insbesondere eine hohe Temperaturbeständigkeit, und seine Überladungsbeständigkeit ist der herkömmlicher Lithium-Ionen-Batteriematerialien weit überlegen.

1990 übernahm die japanische Sony Corporation die Führung bei der Entwicklung eines erfolgreichen lithium-ionen-akkus. 1992 wurde der kommerzielle wiederaufladbare Lithium-Kobaltoxid-Akku von Sony eingeführt und in "Li-Ion" umbenannt. Dieses Logo befindet sich auf vielen Handy- oder Laptop-Batterien. Die in vielen elektronischen Produkten erwähnte "Lithiumbatterie" bezieht sich tatsächlich auf eine Lithiumionenbatterie. Seine Praktikabilität hat das Gewicht und die Größe von tragbaren elektronischen Geräten wie Mobiltelefonen und Notebooks erheblich reduziert. Die Nutzungsdauer ist stark verlängert. Da die Lithium-Ionen-Batterie kein Schwermetall-Chrom enthält, reduziert sie die Umweltverschmutzung im Vergleich zur Nickel-Chrom-Batterie erheblich.

Gegenwärtig verwendet die am weitesten verbreitete Lithiumionenbatterie Graphit als negative Elektrode, Lithiumcobaltat als positive Elektrode und ein organisches Lösungsmittel, das ein Lithiumsalz wie Lithiumhexafluorophosphat enthält. Während der Entladung wird in die Graphitelegativelektrode eingebettetes Lithium in den Elektrolyten oxidiert, und die positive Elektrode wird in den Gitterspalt des Kobaltoxids eingeführt, um Lithiumkobaltat zu bilden; Beim Laden wird Lithium aus dem Lithiumcobaltat deinterkaliert und in den Graphit zurückgeschoben. Fahren Sie also hin und her. Eine solche Batterie kann bei einer Spannung von 3,7 Volt oder mehr arbeiten, und die Energiedichte wird stark verbessert.

Viertens Polymer-Lithium-Ionen-Batterie

Die Hauptstruktur einer typischen Batterie umfasst drei Elemente: eine positive Elektrode, eine negative Elektrode und einen Elektrolyten. Die sogenannte Polymer-Lithium-Ionen-Batterie bedeutet, dass mindestens eine oder mehrere der drei Hauptstrukturen ein Polymermaterial als Hauptbatteriesystem verwenden. In dem derzeit entwickelten Polymer-Lithium-Ionen-Batteriesystem besteht der Hauptgrund darin, dass das Polymermaterial hauptsächlich die Elektrolytlösung ersetzt. Die Lithiumbatterien, die wir heute verwenden, sind definitiv in Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen) und lithium-polymer-batterien (Li-Po) unterteilt.

1973 stellten Wright et al. fanden heraus, dass Polyoxyethylen-Alkalimetallsalzkomplexe eine hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen, und seitdem haben ionenleitende Polymere viel Aufmerksamkeit erhalten. 1975 entdeckten Feullade und Perche, dass die Alkalimetallsalzkomplexe von PEO, PAN, PVDF und anderen Polymeren eine Ionenleitfähigkeit aufweisen und aus ionenleitenden Membranen auf PAN- und PMMA-Basis bestehen. 1978 sagte Dr. Armadnd aus Frankreich voraus, dass solche Materialien als Elektrolyte für energiespeicherbatterien verwendet werden könnten, und die Idee von Festelektrolyten für Batterien wurde vorgeschlagen. Daher wurde die Entwicklung von Polymerelektrolyten weltweit durchgeführt. Der Polymerelektrolyt, der ursprünglich in Lithium-Sekundärbatterien verwendet wurde, hat ein komplexes System aus PEO und einem Lithiumsalz, aber das System wurde wegen seiner schlechten elektrischen Leitfähigkeit bei Raumtemperatur nicht industriell angewendet. Es wurde später entdeckt, dass die Zugabe eines Weichmachers zum Polymerelektrolyten durch Mischen die Leitfähigkeit des Polymerelektrolyten signifikant erhöhen kann.

In einer Lithium-Ionen-Batterie dürfen die positive und die negative Elektrode nicht in direktem Kontakt stehen, da sonst ein Kurzschluss auftreten kann, der eine Reihe von Sicherheitsproblemen verursacht. Der Elektrolyt der Polymer-Lithium-Ionen-Batterie liegt in einem festen oder kolloidalen Zustand vor, wodurch das Problem vermieden werden kann, dass der Elektrolyt der Flüssigkeit Elektrolytleckage und großen Leckstrom verursachen kann. Darüber hinaus ist das Polymermaterial stark plastisch und kann zu einem großflächigen ultradünnen Film verarbeitet werden, um einen ausreichenden Kontakt mit der Elektrode sicherzustellen. Da der Elektrolyt durch das Netzwerk im Polymer eingeschlossen und gleichmäßig in der Molekülstruktur verteilt ist, wird die Sicherheit der Batterie stark verbessert. 1995 erfand die Sony Corporation of Japan eine Polymer-Lithium-Batterie, und der Elektrolyt war ein Gel-Polymer. 1999 wurden Polymer-Lithium-Ionen-Batterien kommerzialisiert.

Der zukünftige Trend der Lithiumionen führt dazu, dass Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte, Leistungsdichte, bessere Zyklusleistung und zuverlässige Sicherheitsleistung aufweisen. Derzeit gibt es noch einige Sicherheitsprobleme bei Lithiumbatterien. Beispielsweise haben einige Mobiltelefonhersteller eine schlechte Kontrolle über die Qualität von Membranmaterialien oder Prozessfehlern, was zu einer teilweisen Ausdünnung der Membran führt, wodurch die positiven und negativen Elektroden nicht effektiv isoliert werden können, was zu Problemen bei der Batteriesicherheit führt. Zweitens neigt die Lithiumbatterie beim Laden zu Kurzschlüssen. Obwohl die meisten Lithium-Ionen-Batterien jetzt über Kurzschlussschutzschaltungen und explosionsgeschützte Leitungen verfügen, funktioniert diese Schutzschaltung in vielen Fällen nicht unbedingt unter verschiedenen Bedingungen, und die explosionsgeschützte Leitung kann eine begrenzte Rolle spielen.

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