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Conocimientos de Bisc de batería de litio
- May 18, 2018 -

I. Introducción

La batería de iones de litio que se menciona aquí se refiere específicamente a una batería secundaria recargable de iones de litio, no a una batería desechable.

Las baterías de iones de litio se distribuyen en cada rincón de nuestras vidas. Las aplicaciones incluyen teléfonos móviles, tabletas, computadoras portátiles, relojes inteligentes, fuentes de alimentación móviles (tesoros recargables), suministros de energía de emergencia, maquinillas de afeitar, bicicletas eléctricas, vehículos eléctricos y autobuses eléctricos. , vehículos de turismo y turismo, drones y otros tipos de herramientas eléctricas. Como portador de energía eléctrica y fuente de energía para muchos dispositivos, se puede decir que la batería de iones de litio ha salido del mundo actual (a menos que deseemos retroceder algunas décadas atrás). Entonces, ¿qué demonios es una batería de iones de litio?

Este artículo no incluye los principios básicos y el historial de desarrollo de la batería. Si está interesado, contáctese con Baidu. Aquí hay muchas historias. Las teorías fundamentales en el campo de la física y la química fueron hechas básicamente por setenta y ocho por la onda previa de Einstein. La batería está directamente relacionada con estos dos campos. La teoría relacionada con las baterías se estudió antes de la Segunda Guerra Mundial. Casi no, después de la Segunda Guerra Mundial no hubo una gran innovación. Como un tipo de tecnología de batería, la investigación teórica sobre baterías de iones de litio no ha logrado ningún avance en los últimos años. La mayoría de los estudios se han centrado en materiales, formulaciones y procesos, es decir, cómo aumentar el grado de industrialización y estudiar el rendimiento. Mejor batería de iones de litio (más almacenamiento de energía, uso prolongado).

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Muchas personas usan baterías de iones de litio, muchas personas estudian la aplicación de productos de baterías de iones de litio (como los productos mencionados anteriormente), pero la mayoría de la gente sabe muy poco acerca de las baterías de iones de litio, o siempre mira en la niebla, de ninguna manera liderar El objetivo de este artículo no es observar a las personas que realizan I + D con baterías de iones de litio, sino observar a quienes utilizan baterías de iones de litio en sus productos. Por lo tanto, este artículo se esfuerza por ser fácil de entender y tratar de no utilizar terminología y fórmulas especializadas. Espero que, además de una lectura fácil, pueda aumentar la conciencia de todos sobre las baterías de iones de litio y desempeñar un papel en la respuesta a las dudas.

El autor no es un experto en el campo de las baterías de iones de litio y no se ha dedicado a la investigación y desarrollo de baterías de iones de litio. Sin embargo, ha estado involucrado durante mucho tiempo en la investigación sobre la tecnología de aplicación de las baterías de iones de litio, por lo que espera estar en el punto de vista del "usuario" para elaborar sobre mí. Conciencia de la batería de iones de litio. Los usuarios normales suelen referirse a las baterías de iones de litio directamente como baterías de litio. Aunque los dos no son completamente equivalentes, las baterías de iones de litio son el cuerpo principal absoluto de las baterías de litio actuales.

La mayor parte del contenido del artículo no es su propia originalidad, sino el conocimiento existente. De pie sobre los hombros de los gigantes, todo lo que tenemos que hacer es detenernos y levantar la cabeza. El mundo está justo en frente de nosotros.

En segundo lugar, los principios básicos de las baterías de iones de litio

1. Cómo elegir el portador de energía

Antes que nada, preguntaremos por qué elegimos el litio como portador de energía.

Bueno, aunque no queremos revisar el conocimiento de la química, este problema debe ir a la tabla periódica para encontrar la respuesta. Afortunadamente, todavía recordamos la tabla periódica de elementos, ¿verdad? ! Realmente no recuerdo. Nos tomaremos un minuto para mirar la tabla a continuación.

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Para convertirse en un buen portador de energía, es necesario almacenar y transportar más energía con el menor tamaño y peso posible. Por lo tanto, se deben cumplir las siguientes condiciones básicas:

1) La calidad relativa del átomo es pequeña

2) fuertes ganancias y pérdidas de capacidades electrónicas

3) Alta proporción de transferencia electrónica

Con base en estos tres principios básicos, los elementos sobre la tabla periódica son mejores que los siguientes elementos. El izquierdo es mejor que el correcto. Para el cribado inicial, solo podemos encontrar materiales en el primer y segundo ciclos de la tabla periódica: hidrógeno, helio, litio, helio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y helio. Excluyendo el gas inerte y el oxidante, solo hidrógeno, litio, helio, boro, carbono, estos cinco elementos.

El hidrógeno es el mejor portador de energía en la naturaleza, por lo que la investigación de las células de combustible de hidrógeno siempre está en aumento y representa una dirección muy prometedora en el campo de las baterías. Por supuesto, si la tecnología de fisión nuclear puede lograr grandes avances en las próximas décadas y puede miniaturizarse o incluso miniaturizarse, las células de combustible nuclear portátiles tendrán un amplio espacio para el desarrollo.

El siguiente paso es el litio. La elección del litio para fabricar baterías se basa en los méritos relativos de todos los elementos de la tierra. Podemos encontrar soluciones relativamente buenas (hay muy pocas reservas de cesio, metales raros en metales raros). La batalla técnica entre las pilas de combustible de hidrógeno y las baterías de iones de litio está en pleno auge en el campo de los vehículos eléctricos, probablemente porque estos dos elementos son los mejores soportes de energía que podemos encontrar. Por supuesto, todavía hay muchos intereses comerciales e incluso juegos políticos involucrados. Estas no son las áreas que este artículo discutirá.

Por cierto, la energía que ya ha existido en la naturaleza y es ampliamente utilizada por la humanidad, como el petróleo, el gas natural y el carbón, se compone principalmente de elementos como el carbono, el hidrógeno y el oxígeno (en el primer ciclo y el segundo ciclo de la tabla periódica). ) Por lo tanto, ya sea una elección natural o el "diseño" de los seres humanos, en última instancia conducirá al mismo objetivo.

2. Cómo funcionan las baterías de iones de litio

A continuación se describe el mecanismo de funcionamiento de las baterías de iones de litio. Aquellos que no dan más detalles sobre la reacción redox, tienen una base química pobre, o que ya han devuelto el conocimiento químico a sus profesores, se sentirán mareados cuando vean estas cosas profesionales, por lo que todavía tenemos algunas descripciones sencillas. Aquí tomar prestada una imagen, esta cifra es más fácil para las personas a entender el principio de las baterías de iones de litio.

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Según el hábito de uso, distinguimos los electrodos positivo (+) y negativo (-) según la diferencia de voltaje en el momento de la carga y descarga. El ánodo y el cátodo no se describen aquí. Toma tiempo y esfuerzo. En esta figura, el material de electrodo positivo de la batería es óxido de cobalto de litio (LiCoO2), y el material del electrodo negativo es grafito (C).

Durante la carga, bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado, el elemento de litio en el material del electrodo positivo LiCoO2 se libera y se convierte en un ión de litio cargado positivamente (Li +), que se mueve desde el electrodo positivo al electrodo negativo bajo la acción del la fuerza del campo eléctrico y el electrodo negativo. Los átomos de carbono reaccionan químicamente para producir LiC6, por lo que los iones de litio que se ejecutan desde el electrodo positivo se "estabilizan" para incrustarse en la estructura de la capa de grafito del electrodo negativo. Cuantos más iones de litio se mueven desde el electrodo positivo al electrodo negativo, más energía puede almacenar la batería.

Cuando la descarga se invierte, el campo eléctrico interno gira y los iones de litio (Li +) se desconectan del electrodo negativo. Siguiendo la dirección del campo eléctrico, regresan al electrodo positivo y se vuelven moléculas de óxido de cobalto de litio (LiCoO2) nuevamente. Cuantos más iones de litio se mueven desde el electrodo negativo al electrodo positivo, más energía puede liberar la batería.

Durante cada ciclo de carga-descarga, los iones de litio (Li +) actúan como portadores para el transporte de energía eléctrica. A medida que el ciclo se mueve del electrodo positivo al electrodo negativo, el electrodo positivo se mueve hacia adelante y hacia atrás, reacciona con materiales de electrodo positivo y negativo para convertir químicamente energía química y energía eléctrica. Se realiza la transferencia de carga, que es el principio básico de "batería de iones de litio". Dado que los electrolitos, separadores, etc. son todos aisladores electrónicos, no hay electrones que se desplacen hacia adelante y hacia atrás entre los electrodos positivo y negativo en este ciclo. Solo participan en las reacciones químicas de los electrodos.

3. Composición básica de la batería de iones de litio

Para lograr las funciones anteriores, las baterías de iones de litio deben contener varios materiales básicos: materiales activos positivos, materiales activos negativos, separadores y electrolitos. La siguiente es una breve discusión sobre de qué se tratan estos materiales.

Los electrodos positivo y negativo no son difíciles de entender. Para realizar la transferencia de carga, los materiales de electrodo positivo y negativo deben tener una diferencia de potencial. ¿Qué es un material activo? Sabemos que las baterías realmente convierten electricidad y energía química entre sí para almacenar y liberar energía. Para realizar este proceso, es necesario que los materiales de los electrodos positivo y negativo sean "fáciles" de participar en la reacción química, estén activos, sean fáciles de oxidar y reducir, y así lograr la conversión de energía, por lo que necesitamos " material activo "para hacer los electrodos positivo y negativo de la batería.

Como se mencionó anteriormente, el litio es el material preferido para nuestras baterías, entonces ¿por qué no usar litio metálico como material activo del electrodo? ¿No es posible alcanzar la densidad de energía máxima?

Echemos un vistazo a la imagen de arriba otra vez. Los elementos de oxígeno (O), cobalto (Co) y litio (Li) constituyen una estructura de material de electrodo positivo muy estable (la relación y la disposición en la figura son únicamente de referencia). Atomos de carbono del grafito del electrodo negativo El arreglo también tiene una estructura estratificada muy estable. Los materiales positivos y negativos no solo son vivos, sino que también tienen una estructura muy estable para lograr reacciones químicas ordenadas y controlables. ¿Cuál es el resultado de la inestabilidad? Considerando la quema de gasolina y la explosión de bombas, la energía se libera violentamente. El proceso de reacción química no puede ser controlado artificialmente con precisión. Por lo tanto, la energía química se convierte en energía térmica, que libera energía una vez y es irreversible.

Los elementos de litio en la forma de metal son demasiado "vivos", y los niños traviesos a menudo son menos obedientes y les gusta participar en la destrucción. Investigaciones anteriores sobre baterías de litio se enfocaron en el metal de litio o sus aleaciones como el electrodo negativo, pero debido a problemas de seguridad, tuvieron que encontrar otras rutas mejores. En los últimos años, junto con la búsqueda de densidad de energía de las personas, esta dirección de investigación tiene la tendencia de "resurrección total de sangre", de la que hablaremos más adelante.

Para lograr la estabilidad química en el proceso de almacenamiento y liberación de energía, es decir, la seguridad y la larga duración del ciclo de carga y descarga de la batería, necesitamos un material de electrodo que sea vivo, dinámico y estable cuando se requiera que sea estable. Después de una investigación y exploración a largo plazo, las personas han encontrado varios óxidos de metal de litio, como cobalto de litio, titanato de litio, fosfato de hierro y litio, manganato de litio, tríadas de manganeso y cobalto de níquel, etc., como la actividad del electrodo positivo o negativo de la batería. resolver los problemas anteriores Como se muestra en la figura anterior, la estructura de olivino del fosfato de hierro y litio es también una estructura de material de electrodo positivo muy estable. La desintercalación de iones de litio durante la carga y descarga no causa el colapso de la red cristalina. Digression, las baterías de metal de litio existen, pero en comparación con las baterías de iones de litio, casi insignificantes, el desarrollo de la tecnología y, en última instancia, para servir al mercado.

Por supuesto, al resolver el problema de estabilidad, también trae graves "efectos secundarios", es decir, la proporción de litio como portador de energía se reduce en gran medida, y la densidad de energía se reduce en más de un orden de magnitud. qué.

El electrodo negativo generalmente usa grafito u otros materiales de carbono como material activo. También sigue los principios anteriores. Requiere no solo un buen portador de energía, sino también unas reservas relativamente estables y relativamente abundantes. Es conveniente para la fabricación a gran escala y la búsqueda de carbono. Los elementos son una solución relativamente buena. Por supuesto, esta no es la única solución. La investigación sobre materiales de ánodo es muy extensa y se analizará más adelante.

¿Qué es el electrolito? En general, el "agua" dentro de la piscina permite que los iones de litio naden libremente. Por lo tanto, la conductividad iónica es alta (la resistencia de la natación es pequeña), la conductividad electrónica es pequeña (aislamiento) y la estabilidad química es mejor (la estabilidad anula todo lo demás), mejor estabilidad térmica (por seguridad) y una ventana potencial más amplia. Con base en estos principios, después de la exploración de ingeniería a largo plazo, las personas encontraron electrolitos hechos de solventes orgánicos de alta pureza, sales de electrolito de litio y aditivos necesarios, preparados bajo ciertas condiciones y en ciertas proporciones. Los ejemplos de disolventes orgánicos incluyen PC (carbonato de propileno), EC (carbonato de etileno), DMC (carbonato de dimetilo), DEC (carbonato de dietilo) y EMC (carbonato de etilo y metilo). Las sales de electrolito de litio incluyen LiPF6, LiBF4 y otros materiales.

El separador se agrega para evitar el contacto directo entre los electrodos positivo y negativo. Esperamos hacer que la batería sea lo más pequeña posible y almacenar tanta energía como sea posible, de modo que la distancia entre los electrodos positivos y negativos se haga más pequeña y más corta. Conviértete en un gran riesgo. Para evitar el cortocircuito de los materiales del electrodo positivo y negativo y provocar una liberación violenta de energía, es necesario utilizar un material para "separar" los electrodos positivo y negativo, que es el origen de la película de aislamiento. La membrana de aislamiento necesita tener un buen paso de iones, principalmente para abrir canales de iones de litio, lo que le permite pasar libremente, y al mismo tiempo ser un aislante electrónico para lograr el aislamiento entre los electrodos positivo y negativo. En la actualidad, los diafragmas en el mercado incluyen principalmente PP de una capa, PE de capa única, PP / PE de doble capa y película compuesta de PP / PE / PP de tres capas.

 

4. Composición completa del material de la batería de iones de litio

Además de los cuatro materiales principales mencionados anteriormente, si desea convertir una batería de iones de litio de un "laboratorio" en el laboratorio en un producto que pueda usarse comercialmente, existen otros materiales indispensables.

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   Veamos primero el electrodo positivo de la batería. Además del material activo, también hay un agente conductor y un aglutinante, y un sustrato y un colector de corriente usados como un transportador de corriente eléctrica (el electrodo positivo es generalmente una lámina de aluminio). El aglutinante debe usarse como el material activo de óxido de litio metal uniformemente "fijado" en la banda de base positiva, el agente conductor debe mejorar la conductividad del material activo y el sustrato para lograr una mayor carga y corriente de descarga, la corriente colector responsable de la batería Puentes de transferencia de carga interna y externa.

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La estructura del electrodo negativo es básicamente la misma que la del electrodo positivo, y se requiere un adhesivo para fijar el grafito del material activo. Se requiere la lámina de cobre como sustrato y un colector de corriente para actuar como un conductor de corriente, pero dado que el grafito en sí tiene una buena conductividad, el electrodo negativo generalmente no incluye un material de agente conductor.

Además de los materiales anteriores, una batería completa de iones de litio también incluye una lámina de aislamiento, una placa de cubierta, una válvula de alivio de presión, una carcasa (aluminio, acero, película compuesta, etc.) y otros materiales auxiliares.

5. Proceso de fabricación de la batería de iones de litio

El proceso de fabricación de la batería de iones de litio es más complejo, aquí solo una breve descripción de algunos procesos clave. Dependiendo del método de ensamblaje de las piezas polares, generalmente hay dos métodos de enrutamiento: bobinado y laminado.

El proceso de laminación consiste en cortar el electrodo positivo y el electrodo negativo en trozos pequeños y un separador para formar un monómero de celda pequeña, y luego apilar las celdas pequeñas en paralelo y formar un proceso de fabricación de una celda grande. El flujo del proceso general es el siguiente:   

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El proceso de bobinado consiste en fijar los electrodos positivos y negativos, los separadores, los electrodos positivo y negativo, las cintas protectoras y las cintas de terminación en el equipo, y el equipo se inicia para completar la fabricación de las baterías.

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La apariencia común de las baterías de iones de litio es principalmente cilíndrica y cuadrada. De acuerdo con diferentes materiales de concha, hay conchas de metal y conchas blandas ....   


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