Grundprinzipien, Hauptkomponenten und Überblick über Lithiumbatterien

Grundprinzipien, Hauptkomponenten und Überblick über Lithiumbatterien

Lithium-Ionen-Akku bezieht sich auf einen sekundären Lithium-Ionen-Akku, der wiederholt aufgeladen werden kann, und nicht auf einen primären Akku, den wir bei Verbrauch weggeworfen haben.

Lithium-Ionen-Batterien sind in jeder Ecke unseres Lebens verteilt. Zu den Anwendungen gehören Mobiltelefone, Tablets, Laptops, Smartwatches, mobile Netzteile, Notstromversorgungen, Rasierer, Elektrofahrräder, Elektroautos und Elektrobusse. Touristenautos, Drohnen und andere Arten von Elektrowerkzeugen. Als Träger elektrischer Energie und Energiequelle für viele Geräte kann man sagen, dass die heutige materielle Welt ohne den Lithium-Ionen-Akku nicht spielen kann (es sei denn, wir wollen vor Jahrzehnten zurück). Was ist der Geist einer Lithium-Ionen-Batterie?

Dieser Artikel ist nicht das Grundprinzip und die Entwicklungsgeschichte der beliebten Batterie. Wenn Sie interessiert sind, überprüfen Sie bitte Baidu. Hier gibt es viele Geschichten. Die Grundtheorie in den Bereichen Physik und Chemie wurde im Wesentlichen von der Welle der Menschen vor Einstein aufgestellt. Die Batterie steht in direktem Zusammenhang mit diesen beiden Feldern. Die Theorie in Bezug auf Batterien wurde vor dem Zweiten Weltkrieg untersucht. Fast gab es nach dem Zweiten Weltkrieg keine große Innovation. Als eine Art Batterietechnologie haben verwandte theoretische Forschungen zu Lithium-Ionen-Batterien in den letzten Jahren keine Durchbrüche erzielt. Der größte Teil der Forschung konzentriert sich auf Materialien, Formulierungen, Verfahren usw., dh auf die Verbesserung des Industrialisierungsgrades und der Forschungsleistung. Eine bessere Lithium-Ionen-Batterie (mehr Energie wird gespeichert und länger verbraucht).

Viele Leute benutzen Lithium-Ionen-Batterien, viele Leute studieren die Anwendung von Lithium-Ionen-Batterien (wie die oben genannten Produkte), aber die meisten Leute wissen sehr wenig über Lithium-Ionen-Batterien oder schauen immer auf keinen Fall auf den Nebel . Der Zweck dieses Artikels besteht nicht für diejenigen, die Lithium-Ionen-Batterien entwickeln möchten, sondern für diejenigen Ingenieure, die Lithium-Ionen-Batterien in ihren Produkten verwenden, oder für Benutzer von Lithium-Ionen-Batterien. Daher ist dieser Artikel bestrebt, leicht verständlich zu sein, keine speziellen Begriffe und Formeln zu verwenden und zu hoffen, dass er beim einfachen Lesen das Verständnis aller für Lithium-Ionen-Batterien verbessert und bei der Beantwortung von Fragen eine Rolle spielt.

Der Autor ist kein Experte auf dem Gebiet der Lithium-Ionen-Batterien. Er war nicht in der Forschung und Entwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen tätig, aber er war lange Zeit in der Erforschung von Lithium-Ionen-Batterieanwendungen tätig. Daher hofft er, in der Perspektive der "Benutzer" zu stehen, um das Verständnis von Lithium-Ionen-Batterien zu erklären. Normale Benutzer bezeichnen Lithium-Ionen-Batterien normalerweise direkt als Lithium-Batterien. Obwohl die beiden nicht gleich sind, sind Lithium-Ionen-Batterien in der Tat der absolute Hauptteil der aktuellen Lithium-Batterien.

Der größte Teil des Textes ist nicht mein Original, aber das vorhandene Wissen, das auf den Schultern von Riesen steht, ist alles, was wir tun müssen, ist aufrecht zu stehen, den Kopf zu heben und die Welt ist vor unseren Augen.

Zweitens das Grundprinzip der Lithium-Ionen-Batterie

1. Wie wählt man den Energieträger?

Zunächst wird sich jeder fragen, warum Lithium als Energieträger gewählt wird.

Nun, obwohl wir die Kenntnisse der Chemie nicht überprüfen wollen, muss dieses Problem zum Periodensystem gehen, um die Antwort zu finden. Erinnerst du dich zum Glück noch an das Periodensystem?! Ich erinnere mich wirklich nicht, nehmen wir uns eine Minute Zeit, um uns die Tabelle unten anzusehen.

Um ein guter Energieträger zu sein, speichern und transportieren Sie mehr Energie in möglichst kleinem Volumen und Gewicht. Daher müssen folgende Grundbedingungen erfüllt sein:

1) Die relative Masse des Atoms ist klein

2) Starke Fähigkeit, Elektronen zu gewinnen und zu verlieren

3) Das elektronische Übertragungsverhältnis ist hoch

Basierend auf diesen drei Grundprinzipien sind die Elemente über dem Periodensystem besser als die Elemente darunter, und die Elemente links sind besser als die Elemente rechts. Für das erste Screening können wir nur Materialien im ersten und zweiten Zyklus des Periodensystems finden: Wasserstoff, Helium, Lithium, Cäsium, Bor, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Fluor und Antimon. Mit Ausnahme von Inertgasen und Oxidationsmitteln bleiben nur fünf Elemente Wasserstoff, Lithium, Helium, Bor und Kohlenstoff übrig.

Wasserstoff ist der beste Energieträger in der Natur, daher hat die Forschung an Wasserstoffbrennstoffzellen zugenommen, was eine sehr vielversprechende Richtung im Batteriebereich darstellt. Wenn die Kernspaltungstechnologie in den nächsten Jahrzehnten große Durchbrüche erzielen und miniaturisiert oder sogar miniaturisiert werden kann, haben tragbare Kernbrennstoffzellen natürlich einen großen Entwicklungsspielraum.

Der nächste Schritt ist Lithium. Die Wahl von Lithium als Batterie basiert auf allen aktuellen Elementen der Erde. Wir können eine relativ gute Lösung finden (die Reserven von 铍 sind zu wenig, seltene Metalle in seltenen Metallen). Der technische Weg zwischen Wasserstoffbrennstoffzellen und Lithium-Ionen-Batterien ist im Bereich der Elektrofahrzeuge in vollem Gange. Wahrscheinlich aufgrund dieser beiden Elemente ist es ein besserer Energieträger, den wir jetzt finden können. Natürlich gibt es auch viele kommerzielle Interessen und sogar politische Spiele. Dies sind nicht die Bereiche, die in diesem Artikel behandelt werden sollen.

Übrigens besteht die Energie, die bereits in der Natur vorhanden ist und vom Menschen in großem Umfang genutzt wird, wie Öl, Erdgas, Kohle usw., auch aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Elementen (im ersten und zweiten Zyklus) des Periodensystems). Ob es nun eine natürliche Wahl oder ein menschliches "Design" ist, es ist letztendlich dasselbe.

2. Das Funktionsprinzip einer Lithium-Ionen-Batterie

Lassen Sie uns über den Funktionsmechanismus von Lithium-Ionen-Batterien sprechen. Die Oxidationsreduktionsreaktion wird hier nicht beschrieben. Die chemische Grundlage ist nicht gut, oder die Person, die das chemische Wissen bereits an den Lehrer zurückgegeben hat, wird Schwindel sehen, daher haben wir immer noch eine einfache Beschreibung. Wenn Sie sich hier ein Bild ausleihen, ist das Prinzip von Lithium-Ionen-Batterien leichter zu verstehen.

Je nach Gebrauchsgewohnheit unterscheiden wir positiv (+) und negativ (-) nach der Spannungsdifferenz zwischen Laden und Entladen. Die Anode und die Kathode werden hier nicht erwähnt, was zeitaufwändig und mühsam ist. In dieser Figur ist das positive Elektrodenmaterial der Batterie Lithiumcobaltat (LiCoO 2) und das negative Elektrodenmaterial ist Graphit (C).

Beim Laden wird unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes das Lithiumelement im LiCoO2-Molekül des positiven Elektrodenmaterials abgetrennt und wird zu einem positiv geladenen Lithiumion (Li +). Unter der Wirkung der elektrischen Feldkraft bewegt es sich von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode, und bei der negativen Elektrode reagiert das Kohlenstoffatom chemisch unter Bildung von LiC6, so dass die aus der positiven Elektrode austretenden Lithiumionen "stabil" eingebettet sind in der Graphitschichtstruktur der negativen Elektrode. Je mehr Lithiumionen von der positiven zur negativen Elektrode übertragen werden, desto mehr Energie kann die Batterie speichern.

Wenn die Entladung genau umgekehrt ist, dreht sich das interne elektrische Feld, Lithiumionen (Li +) werden von der negativen Elektrode getrennt und in Richtung des elektrischen Feldes laufen sie zurück zur positiven Elektrode und werden zu Lithiumcobaltatmolekülen (LiCoO2). . Je mehr Lithiumionen von der negativen Elektrode zur positiven Elektrode übertragen werden, desto mehr Energie kann die Batterie freisetzen.

Während jedes Lade- / Entladezyklus wirkt das Lithiumion (Li +) als Träger für die elektrische Energie, und die Bewegung von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode zur positiven Elektrode bewegt sich hin und her und reagiert chemisch mit den positiven und negativen Materialien. und wandelt chemische Energie und elektrische Energie um. Die Ladungsübertragung wird realisiert, was das Grundprinzip der "Lithium-Ionen-Batterie" ist. Da der Elektrolyt, der Separator und dergleichen alle Isolatoren von Elektronen sind, bewegen sich während dieses Zyklus keine Elektronen zwischen den positiven und negativen Elektroden hin und her und sie nehmen nur an der chemischen Reaktion der Elektroden teil.

3. Die Grundzusammensetzung der Lithium-Ionen-Batterie

Um die obigen Funktionen zu erreichen, muss die Lithium-Ionen-Batterie mehrere Grundmaterialien enthalten: ein aktives Material mit positiver Elektrode, ein aktives Material mit negativer Elektrode, einen Separator und einen Elektrolyten. Lassen Sie uns kurz diskutieren, was diese Materialien bewirken.

Es ist nicht schwer, die positiven und negativen Pole zu verstehen. Um einen Ladungstransfer zu erreichen, werden positive und negative Materialien mit Potentialdifferenz benötigt. Was ist der Wirkstoff? Wir wissen, dass Batterien elektrische und chemische Energie ineinander umwandeln, um eine Energiespeicherung und -freisetzung zu erreichen. Um diesen Prozess zu erreichen, muss das Material der positiven und negativen Elektroden "leicht" sein, um an der chemischen Reaktion teilzunehmen, aktiv zu sein, leicht oxidiert und reduziert zu werden und um eine Energieumwandlung zu erreichen, also brauchen wir "Wirkstoffe". um die positiven und negativen Elektroden der Batterie zu machen.

Wie oben erwähnt, ist Lithium das bevorzugte Material für unsere Batterien. Warum also nicht Lithiummetall als aktives Material für die Elektroden verwenden? Ist dies nicht die maximale Energiedichte, die erreicht werden kann?

Schauen wir uns das obige Bild an. Sauerstoff (O), Kobalt (Co) und Lithium (Li) bilden eine sehr stabile Kathodenmaterialstruktur (das Verhältnis und die Anordnung in der Figur dienen nur als Referenz) und die Kohlenstoffatome des Anodengraphits. Die Anordnung hat auch eine sehr stabile Schichtstruktur. Die positiven und negativen Materialien sind nicht nur aktiv, sondern haben auch eine sehr stabile Struktur, um eine geordnete, kontrollierbare chemische Reaktion zu erreichen. Was ist das Ergebnis von Instabilität? In Anbetracht der Verbrennung von Benzin und der Explosion von Bomben wird die Energie gewaltsam freigesetzt. Der Prozess dieser chemischen Reaktion ist nicht genau zu steuern, so dass die chemische Energie zu Wärmeenergie wird und die Energie gleichzeitig freigesetzt wird und irreversibel ist.

Das Lithiumelement in Form von Metall ist zu "lebendig", und die ungezogenen Kinder sind meist ungehorsam und zerstören gern. Frühe Forschungen zu Lithiumbatterien konzentrierten sich auf die Richtung der Verwendung von Lithiummetall oder seiner Legierungen als negative Elektrode, aber aufgrund der Sicherheitsprobleme mussten wir andere bessere Wege finden. In den letzten Jahren hat diese Forschungsrichtung mit dem Streben nach Energiedichte einen Trend der "Vollblutauferstehung", über den wir später sprechen werden.

Um chemische Stabilität während der Speicherung und Freisetzung von Energie zu erreichen, dh die Sicherheit und lange Lebensdauer des Lade- und Entladezyklus der Batterie, benötigen wir ein Elektrodenmaterial, das aktiv ist, wenn es aktiv sein muss, und stabil, wenn es stabil sein muss . Nach langjähriger Forschung und Erforschung haben Menschen mehrere Lithiummetalloxide wie Lithiumcobaltat, lithiumtitanat, Lithiumeisenphosphat, Lithiummanganat, Nickelkobaltmangan-Ternär und andere Materialien als aktive oder negative Elektrode der Batterie der Substanz gefunden löst die oben genannten Probleme. Wie in der obigen Abbildung gezeigt, ist die Olivinstruktur von Lithiumeisenphosphat auch eine sehr stabile Struktur des positiven Elektrodenmaterials, und die Deinterkalation von Lithiumionen während des Ladens und Entladens verursacht keinen Gitterkollaps. Off-Topic, Lithium-Metall-Batterien sind zwar da, aber im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien ist die Entwicklung der Technologie fast vernachlässigbar und muss letztendlich noch dem Markt dienen.

Während das Stabilitätsproblem gelöst wird, bringt es natürlich auch schwerwiegende "Nebenwirkungen" mit sich, dh der Anteil von Lithium als Energieträger wird stark verringert, die Energiedichte wird um mehr als eine Größenordnung verringert, und es muss vorhanden sein ein Verlust, der natürliche Weg.

Die negative Elektrode wählt normalerweise Graphit oder andere Kohlenstoffmaterialien als aktives Material. Es folgt auch den oben genannten Prinzipien. Es benötigt einen guten Energieträger und ist relativ stabil. Es verfügt auch über relativ große Reserven für die Herstellung in großem Maßstab, um nach Kohlenstoff zu suchen. Das Element ist eine relativ gute Lösung. Dies ist natürlich nicht die einzige Lösung. Die Forschung zu Anodenmaterialien ist sehr umfangreich und wird später diskutiert.

Was ist der Elektrolyt? Im Volksmund lässt das "Wasser" im Schwimmbad Lithiumionen frei schwimmen, so dass die Ionenleitfähigkeit hoch ist (geringe Schwimmbeständigkeit), die elektronische Leitfähigkeit gering ist (Isolierung), die chemische Stabilität gut ist (Stabilität überwältigend), thermisch Die Stabilität ist gut (alles aus Sicherheitsgründen), das potenzielle Fenster sollte breit sein. Basierend auf diesen Prinzipien haben Menschen nach langfristigen technischen Untersuchungen Elektrolyte gefunden, die unter bestimmten Bedingungen und in einem bestimmten Verhältnis aus hochreinen organischen Lösungsmitteln, Elektrolytlithiumsalzen und notwendigen Additiven hergestellt wurden. Das organische Lösungsmittel ist PC (Propylencarbonat), EC (Ethylencarbonat), DMC (Dimethylcarbonat), DEC (Diethylcarbonat), EMC (Ethylmethylcarbonat) und dergleichen. Das Elektrolytlithiumsalz enthält Materialien wie LiPF6 und LiBF4.

Der Separator wird hinzugefügt, um einen direkten Kontakt zwischen den positiven und negativen Materialien zu verhindern. Wir hoffen, die Batterie so klein wie möglich zu machen und so viel Energie wie möglich zu speichern, damit der Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode immer kleiner wird. Werden Sie ein großes Risiko. Um den Kurzschluss der positiven und negativen Materialien zu verhindern, der zu einer intensiven Energiefreisetzung führt, ist es notwendig, die positiven und negativen Elektroden mit einem Material zu "trennen", das der Ursprung des Separators ist. Der Separator muss eine gute Ionenpermeabilität aufweisen, hauptsächlich um Kanäle für Lithiumionen zu öffnen, damit er frei passieren kann, und gleichzeitig ein Isolator von Elektronen sein, um eine Isolation zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu erreichen. Gegenwärtig umfassen die Separatoren auf dem Markt hauptsächlich einlagiges PP, einlagiges PE, zweischichtiges PP / PE und dreischichtiges PP / PE / PP-Verbundfolie.

4. Vollständige Materialzusammensetzung der Lithium-Ionen-Batterie

Zusätzlich zu den vier oben genannten Hauptmaterialien werden andere unverzichtbare Materialien benötigt, um eine Lithium-Ionen-Batterie von einem "experimentellen Produkt" im Labor in ein Produkt zu verwandeln, das kommerzialisiert werden kann.

Betrachten wir zunächst die positive Elektrode der Batterie neben dem aktiven Material sowie das leitende Mittel und Bindemittel sowie das Substrat und den Stromkollektor, die als Stromträger verwendet werden (die positive Elektrode besteht normalerweise aus Aluminiumfolie). . Das Bindemittel sollte das Lithiummetalloxid als aktives Material auf dem positiven Basisstreifen gleichmäßig "fixieren", und das leitende Mittel sollte die elektrische Leitfähigkeit des aktiven Materials und des Substrats verbessern, um einen größeren Lade- und Entladestrom und den Stromkollektor zu erreichen ist verantwortlich für die Funktion als Batterie. Interne und externe Ladungsübertragungsbrücken.

Die Struktur der negativen Elektrode ist im wesentlichen dieselbe wie die der positiven Elektrode, und ein Klebstoff ist erforderlich, um den Graphit des aktiven Materials zu fixieren. Die Kupferfolie wird als Substrat und Stromkollektor benötigt, um als Stromleiter zu wirken. Da der Graphit selbst jedoch eine gute Leitfähigkeit aufweist, enthält die negative Elektrode im Allgemeinen kein leitfähiges Material.

Zusätzlich zu den oben genannten Materialien enthält eine vollständige Lithium-Ionen-Batterie auch Isolierfolien, Abdeckplatten, Druckbegrenzungsventile, Gehäuse (Aluminium, Stahl, Verbundmembranen usw.) sowie andere Zusatzmaterialien.

5. Verfahren zur Herstellung eines Lithium-Ionen-Akkus

Der Herstellungsprozess von Lithium-Ionen-Batterien ist kompliziert, und hier werden nur einige Schlüsselprozesse kurz beschrieben. Abhängig von der Art und Weise, wie das Polstück zusammengebaut wird, gibt es normalerweise zwei Wege zum Wickeln und Laminieren.

Der Laminierungsprozess ist ein Herstellungsprozess, bei dem eine positive Elektrode und eine negative Elektrode in kleine Stücke geschnitten werden und ein Separator laminiert wird, um eine kleine Zelle zu bilden, und dann werden die kleinen Zellen parallel gestapelt, um eine große Zelle zu bilden. Der allgemeine Prozessablauf ist wie folgt:

Der Wickelvorgang besteht darin, die positiven und negativen Elektroden, den Separator, die positiven und negativen Elektroden, das Schutzband, das Abschlussband und dergleichen an der Vorrichtung zu befestigen, und die Vorrichtung wird durch Abwickeln der Batterie abgeschlossen.

Die gängigen Formen von Lithium-Ionen-Batterien sind hauptsächlich zylindrisch und quadratisch. Mit unterschiedlichem Gehäusematerial gibt es Metallgehäuse und weiche Gehäuse.

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