Was ist eine Lithiumbatterie?

Lithium-Ionen-Batterie ist eine Sekundärbatterie (wiederaufladbare Batterie), die sich auf Lithium-Ionen stützt, um sich zwischen positiven und negativen Elektroden zu bewegen. Während des Ladens und Entladens interkaliert und dekaliert Li + zwischen zwei Elektroden: Beim Laden wird Li + von der positiven Elektrode dekaliert und der in die negative Elektrode und die negative Elektrode eingebettete Elektrolyt befindet sich in einem lithiumreichen Zustand.

Lithiumbatterien, klassifiziert in Lithiumbatterien und Lithiumionenbatterien. Sowohl Mobiltelefone als auch Laptops verwenden Lithium-Ionen-Batterien, die üblicherweise als Lithium-Batterien bezeichnet werden. Die Batterie besteht im Allgemeinen aus einem Material, das Lithium als Elektrode enthält, und ist ein Vertreter moderner Hochleistungsbatterien. Echte Lithiumbatterien werden in der alltäglichen Elektronik aufgrund ihres hohen Risikos selten verwendet.

Die Lithium-Ionen-Batterie wurde 1990 von der Sony Corporation of Japan entwickelt. Sie dient dazu, Lithiumionen in Kohlenstoff (Petrolkoks und Graphit) einzufügen, um eine negative Elektrode zu bilden (Lithium für Lithiumbatterien oder Lithiumlegierungen für herkömmliche Lithiumbatterien). Das positive Elektrodenmaterial wird üblicherweise für LixCoO2, LixNiO2 und LixMnO4 und LiPF6 + Diethylencarbonat (EC) + Dimethylcarbonat (DMC) für den Elektrolyten verwendet.

Petrolkoks und Graphit als Anodenmaterialien sind ungiftig und verfügen über ausreichende Ressourcen. In Kohlenstoff eingebettete Lithiumionen, die die hohe Aktivität von Lithium überwinden und die Sicherheitsprobleme herkömmlicher Lithiumbatterien lösen. Das positive LixCoO2 kann die Lade- und Entladeleistung und -lebensdauer erreichen. Je höher der Pegel, desto niedriger die Kosten und die Gesamtleistung des Lithium-Ionen-Akkus wird verbessert. Es wurde erwartet, dass Lithium-Ionen-Batterien im 21. Jahrhundert einen großen Markt einnehmen würden.

Die Reaktionsformel zum Laden und Entladen von Lithiumionen-Sekundärbatterien lautet LiCoO2 + C = Li1-xCoO2 + LixC

Lithium-Ionen-Batterien können leicht mit den folgenden zwei Arten von Batterien verwechselt werden:

(1) Lithiumbatterie: Metalllithium, das als negative Elektrode verwendet wird.

(2) Lithium-Ionen-Batterie: Es wird ein nichtwässriger flüssiger organischer Elektrolyt verwendet.

(3) Lithiumionenpolymerbatterie: Ein Polymer, das zum Gelieren eines flüssigen organischen Lösungsmittels verwendet wird, oder ein Vollfestelektrolyt wird direkt verwendet. Lithium-Ionen-Batterien verwenden im Allgemeinen ein Kohlenstoffmaterial auf Graphitbasis als negative Elektrode.

1970 verwendete MS Whittingham von Exxon Titansulfid als positives Elektrodenmaterial und Lithiummetall als negatives Elektrodenmaterial, um die erste Lithiumbatterie herzustellen. Das positive Elektrodenmaterial der Lithiumbatterie ist Mangandioxid oder dünnchlorid, und die negative Elektrode ist Lithium. Nach dem Zusammenbau der Batterie hat die Batterie Spannung und muss nicht aufgeladen werden. Lithium-Ionen-Batterien (Li-Ionen-Batterien) sind die Entwicklung von Lithium-Batterien. Beispielsweise war die in der vorherigen Kamera verwendete Tastenbatterie eine Lithiumbatterie. Der Akku kann auch aufgeladen werden, aber die Zyklusleistung ist nicht gut, und während des Lade- und Entladezyklus bilden sich leicht Lithiumkristalle, die einen internen Kurzschluss des Akkus verursachen. Daher ist das Laden des Akkus im Allgemeinen verboten. [2]

Im Jahr 1982 entdeckten RR Agarwal und JR Selman vom Illinois Institute of Technology, dass Lithiumionen die Eigenschaft haben, in Graphit eingebettet zu sein, der schnell und reversibel ist. Gleichzeitig hat die Lithiumbatterie aus Lithiummetall viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, weshalb versucht wurde, eine wiederaufladbare Batterie unter Verwendung der Eigenschaften von in Lithiumionen eingebettetem Graphit herzustellen. Bell Labs reduzierte die verfügbare Lithium-Ionen-Graphitelektrode.

1983 stellten M. Thackeray, J. Goodenough et al. fanden heraus, dass Manganspinell ein ausgezeichnetes Kathodenmaterial mit geringen Kosten, Stabilität und ausgezeichneter Leitfähigkeit und Lithiumführungseigenschaften ist. Die Zersetzungstemperatur ist hoch und die Oxidation ist viel niedriger als die von Lithiumkobaltit. Selbst wenn ein Kurzschluss oder eine Überladung auftritt, kann die Gefahr von Verbrennungen und Explosionen vermieden werden.

1989 entdeckten A. Manthiram und J. Goodenough, dass eine positive Elektrode mit einem polymeren Anion eine höhere Spannung erzeugen würde.

1992 erfand die japanische Sony Corporation eine Lithiumbatterie, bei der ein Kohlenstoffmaterial als negative Elektrode und eine lithiumhaltige Verbindung als positive Elektrode verwendet wurden. Beim Laden und Entladen existiert kein Metalllithium, nur Lithiumionen, bei denen es sich um eine Lithiumionenbatterie handelt. In der Folge revolutionierten Lithium-Ionen-Batterien das Gesicht der Unterhaltungselektronik. Eine solche Batterie, die Lithiumkobaltit als positives Elektrodenmaterial verwendet, ist immer noch die Hauptstromquelle für tragbare elektronische Geräte.

1996 entdeckten Padhi und Goodenough, dass Phosphate mit Olivinstruktur wie Lithiumeisenphosphat (LiFePO4) sicherer sind als herkömmliche Kathodenmaterialien, insbesondere bei hoher Temperaturbeständigkeit, und dass die Überladungsbeständigkeit herkömmlichen Lithiumionenbatteriematerialien weit überlegen ist.

In der Geschichte der Batterieentwicklung können wir drei Merkmale der aktuellen Entwicklung der weltweiten Batterieindustrie erkennen. Erstens die rasche Entwicklung grüner Batterien, einschließlich Lithium-Ionen-Batterien, Wasserstoff-Nickel-Batterien usw.; Die zweite ist die Umwandlung von Primärbatterien in Batterien, was im Einklang mit der Strategie für nachhaltige Entwicklung steht. Drittens entwickelt sich die Batterie in einer kleinen, leichten und dünnen Richtung weiter. Unter den handelsüblichen wiederaufladbaren Batterien weisen Lithium-Ionen-Batterien die höchste spezifische Energie auf, insbesondere Polymer-Lithium-Ionen-Batterien, mit denen sich wiederaufladbare Batterien verdünnen lassen. Gerade weil Lithium-Ionen-Batterien eine höhere volumetrische Energie und Masse als Energie haben, aufgeladen und umweltfreundlich sind und die drei Merkmale der aktuellen Entwicklung der Batterieindustrie aufweisen, gibt es in den Industrieländern ein schnelles Wachstum. Die Entwicklung der Telekommunikations- und Informationsmärkte, insbesondere die großflächige Nutzung von Mobiltelefonen und Notebooks, hat Lithium-Ionen-Batterien Marktchancen eröffnet. Die Lithium-Ionen-Batterie in der Lithium-Ionen-Batterie wird die Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterie mit ihren einzigartigen Sicherheitsvorteilen schrittweise ersetzen und zum Hauptbestandteil von Lithium-Ionen-Batterien werden. Die als "Batterie des 21. Jahrhunderts" bekannte Polymer-Lithium-Ionen-Batterie wird eine neue Ära der Speicherbatterien einleiten, und die Entwicklungsaussichten sind sehr optimistisch.

Im März 2015 entwickelten Sharp und Professor Tanaka Hyun von der Universität Kyoto gemeinsam eine Lithium-Ionen-Batterie mit einer Lebensdauer von 70 Jahren. Die langlebige Lithium-Ionen-Batterie, die durch den Versuch hergestellt wurde, hat ein Volumen von 8 Kubikzentimetern und eine 25.000-fache Auf- und Entladung. Darüber hinaus sagte Sharp, dass nach dem 10.000-fachen Laden und Entladen des Lithium-Ionen-Akkus seine Leistung immer noch stabil ist.

Stahlschale / Aluminiumschale / Zylinder / flexible Verpackungsserie:

(1) Positive Elektrode: Aktives Material ist im Allgemeinen Lithiummanganit oder lithiumkobaltoxid, Lithiumnickelkobaltmanganoxidmaterial, elektrisches Fahrrad wird im Allgemeinen Nickelkobaltmanganit (allgemein als ternär bekannt) oder ternär + kleine Menge Lithiummanganit, reines Lithiummanganit verwendet und Lithiumeisenphosphat werden aufgrund ihrer Größe, schlechten Leistung oder hohen Kosten allmählich ausgeblendet. Die Elektrodenflüssigkeit ist eine elektrolytische Aluminiumfolie mit einer Dicke von 10 bis 20 & mgr; m.

(2) Separator - ein speziell geformter Polymerfilm mit einer mikroporösen Struktur, die es Lithiumionen ermöglicht, frei zu passieren und Elektronen können nicht passieren.

(3) Negative Elektrode - Das aktive Material ist Graphit oder Kohlenstoff mit ungefähr Graphitstruktur, und der leitende Stromkollektor verwendet eine elektrolytische Kupferfolie mit einer Dicke von 7 bis 15 & mgr; m.

(4) Organischer Elektrolyt - ein Carbonatlösungsmittel, in dem sich Lithiumhexafluorophosphat gelöst hat, und ein Polymerelektrolyt, der als Polymer verwendet wird.

(5) Batteriegehäuse - unterteilt in Stahlgehäuse (quadratischer Typ wird selten verwendet), Aluminiumgehäuse, vernickelte Eisengehäuse (in zylindrischen Batterien verwendet), Aluminium-Kunststofffolie (weiche Verpackung) usw. sowie den Batteriefachdeckel , aber auch die Batterie ist positiv Minuspol.

Lithium-Ionen-Batterien werden je nach dem im Lithium verwendeten Elektrolytmaterial in eine Flüssig-Lithium-Ionen-Batterie (Liquified Lithium-Ion Battery, abgekürzt als LIB) und eine Polymer-Lithium-Ionen-Batterie (Polymer Lithium-Ion Battery, abgekürzt als PLB) eingeteilt Ionenbatterie.

Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion)

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien sind derzeit die am häufigsten verwendeten Batterien in modernen digitalen Produkten wie Mobiltelefonen und Notebooks. Sie sind jedoch "quietschender" und können während des Gebrauchs nicht überladen oder entladen werden (was die Batterie beschädigen oder verursachen kann) zu verschrotten). Daher befinden sich Schutzkomponenten oder Schutzschaltungen an der Batterie, um teure Batterieschäden zu vermeiden. Die Anforderungen an das Laden von Lithium-Ionen-Batterien sind sehr hoch. Um sicherzustellen, dass die Genauigkeit der Abschlussspannung innerhalb von ± 1% liegt, haben große Hersteller von Halbleiterbauelementen eine Vielzahl von Lade-ICs für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt, um ein sicheres, zuverlässiges und schnelles Laden zu gewährleisten.

Mobiltelefone verwenden Lithium-Ionen-Batterien. Die ordnungsgemäße Verwendung von Lithium-Ionen-Batterien ist wichtig, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Es wird gemäß den Anforderungen verschiedener elektronischer Produkte zu einem flachen rechteckigen, zylindrischen, rechteckigen und Knopftyp verarbeitet und verfügt über einen Akku, der aus mehreren in Reihe geschalteten und parallel geschalteten Batterien besteht. Die Nennspannung einer Lithiumionenbatterie beträgt aufgrund einer Materialänderung im Allgemeinen 3,7 V, und 3,2 V ist eine positive Lithiumeisenphosphat-Elektrode (im Folgenden als Ferrophosphor bezeichnet). Die Abschlussladespannung bei voller Ladung beträgt im Allgemeinen 4,2 V und das Phosphoreisen 3,65 V. Die Abschlussentladungsspannung der Lithium-Ionen-Batterie beträgt 2,75 V bis 3,0 V (die Batteriefabrik gibt den Arbeitsspannungsbereich oder die Abschlussentladungsspannung an, und die Parameter unterscheiden sich geringfügig, im Allgemeinen 3,0 V, und das Phosphoreisen beträgt 2,5 V). . Eine fortgesetzte Entladung unter 2,5 V (Phosphoreisen 2,0 V) wird als Überentladung bezeichnet, und eine Überentladung beschädigt die Batterie.

Eine Lithium-Ionen-Batterie, bei der Material vom Lithium-Cobaltit-Typ eine positive Elektrode ist, die nicht zur Verwendung als Entladung mit großem Strom geeignet ist. Es kann gefährlich sein, dass eine übermäßige Stromentladung die Entladezeit verkürzt (eine hohe Temperatur, die intern erzeugt wird, um Energie zu verlieren). Lithiumeisenphosphat, die Kathodenmaterial-Lithiumbatterie, kann jedoch mit einem großen Strom von 20 ° C oder mehr geladen und entladen werden (C ist die Kapazität der Batterie, wie C = 800 mAh, 1 ° C-Laderate, dh der Ladestrom beträgt 800 mA), und ist besonders für Elektrofahrzeuge geeignet. Daher gibt die Batterieproduktionsanlage den maximalen Entladestrom an, der geringer sein sollte als der maximal verwendete Entladestrom. Lithium-Ionen-Batterien stellen bestimmte Anforderungen an die Temperatur. Die Fabrik gibt den Ladetemperaturbereich, den Entladungstemperaturbereich und den Lagertemperaturbereich an. Durch Überspannungsladung wird der Lithium-Ionen-Akku dauerhaft beschädigt. Der Ladestrom des Lithium-Ionen-Akkus sollte auf den Empfehlungen des Batterieherstellers basieren und einen begrenzten Stromkreis erfordern, um Überstrom (Überhitzung) zu vermeiden. Das üblicherweise verwendete Ladeverhältnis beträgt 0,25 ° C bis 1 ° C. Es ist häufig erforderlich, die Batterietemperatur während des Ladens mit hohem Strom zu erfassen, um zu verhindern, dass eine Überhitzung die Batterie beschädigt oder explodiert.

Das Laden von Lithium-Ionen-Akkus besteht aus zwei Phasen: dem ersten Laden mit konstantem Strom und dem Laden mit konstanter Spannung, wenn es nahe an der Abschlussspannung liegt. Beispielsweise hat eine Batterie mit einer Kapazität von 800 mAh eine Abschlussladespannung von 4,2 V. Der Akku wird mit einem konstanten Strom von 800 mA (Laderate 1C) aufgeladen. Zu Beginn erhöhte sich die Batteriespannung mit einer großen Steigung. Wenn die Batteriespannung nahe bei 4,2 V liegt, wird sie auf 4,2 V Konstantspannung geändert, der Strom nimmt allmählich ab und die Spannung ändert sich nicht wesentlich. Wenn der Ladestrom auf 1 / 10-50C abfällt (der Einstellwert jeder Fabrik ist unterschiedlich, hat keinen Einfluss auf die Verwendung), wird er als nahezu voll angesehen und der Ladevorgang kann beendet werden (einige Ladegeräte starten den Timer nach 1 / 10C, danach eine bestimmte Zeit) Laden beenden.

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