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Principales tipos, procesos de fabricación y análisis químico de baterías de ión litio
- Sep 05, 2018 -

Una batería de iones de litio es una batería secundaria (batería recargable) que se basa principalmente en los iones de litio que se mueven entre un electrodo positivo y un electrodo negativo para operar. Durante la carga y la descarga, Li + se intercala y desintercala entre los dos electrodos: cuando se carga, Li + se desintercala del electrodo positivo, el electrolito está incrustado en el electrodo negativo y el electrodo negativo está en un estado rico en litio; La batería generalmente está hecha de un material que contiene litio como electrodo y es un representante de las baterías modernas de alto rendimiento. Las baterías de litio se clasifican en baterías de litio y baterías de ion litio. Tanto los teléfonos móviles como las computadoras portátiles utilizan baterías de iones de litio, que comúnmente se conocen como baterías de litio. Las baterías de litio verdaderas rara vez se usan en la electrónica diaria debido a su alto riesgo.

Batería de iones de litio (Li-ion, batería de iones de litio): las baterías de iones de litio se usan ampliamente debido a su peso ligero, gran capacidad y sin efecto memoria. Muchos dispositivos digitales ahora usan baterías de iones de litio como fuentes de energía. Aunque su precio es relativamente caro. Las baterías de iones de litio tienen una alta densidad de energía, y su capacidad es de 1,5 a 2 veces la de las baterías de níquel-hidrógeno del mismo peso, y tiene una tasa de autodescarga muy baja. Además, la batería de iones de litio casi no tiene "efecto memoria" y no contiene sustancias tóxicas, lo que también es una razón importante para su amplia aplicación.

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Los principales tipos de baterías de iones de litio:

Desde la introducción de las baterías de iones de litio en el mercado a principios de la década de 1990, debido a su alta densidad de energía, alto voltaje, larga vida útil, etc., se ha desarrollado rápidamente, por lo que la variedad ha aumentado rápidamente. Las baterías de iones de litio se pueden clasificar desde diferentes ángulos. Las baterías de ión de litio se clasifican en baterías de ión de litio líquido (batería de ión de litio licuado, LIB para abreviar) y baterías de ión de litio de polímero (polímero de litio). -Ion Battery, referido como PLB).

1. Según el tipo de electrolito:

Batería de ion litio líquido:

La ventaja es:

(1) La conductividad del ion litio es alta? La conductividad en un amplio rango de temperatura es de 3 y Tiempos; 10-3? 2 veces; 10-2 / cm;

(2) Las propiedades químicas son estables, y el electrodo positivo, el electrodo negativo, el separador y la solución de electrolito colector de corriente no experimentan sustancialmente una reacción química;

(3) El proceso de fabricación de la batería es relativamente simple y el costo es bajo.

La debilidad es:

Es fácil de fugas y tiene un rendimiento de seguridad pobre. Los electrolitos de solventes orgánicos líquidos son propensos a accidentes de incendio y explosión.

Las baterías de iones de litio líquidas también se pueden dividir en baterías cilíndricas y cuadradas según la forma de la batería.

Batería de polímero:

La batería de polímero puede además clasificarse en una batería de electrolito completamente sólida y una batería de electrolito de polímero de tipo gel. En la actualidad, es una batería de polímero de tipo gel que se ha puesto en práctica y se ha puesto en producción en masa. Las características de esta batería son:

(1) ¿El electrolito está en estado de gel? Es seguro y a prueba de fugas;

(2) La conductividad iónica es cercana a la de una batería de ion litio líquido;

(3) el electrodo positivo, el separador y el electrodo negativo están unidos entre sí;

(4) Uso de materiales de embalaje flexibles para reducir el peso de la batería;

(5) ¿Reducción de espesor y reducción de volumen? Cualquier forma puede ser producida.

Las baterías de polímero son una dirección de desarrollo importante para las baterías de iones de litio, no solo para baterías pequeñas, sino también para baterías de gran potencia.

2. Clasificados según el propósito y la capacidad de la batería:

Según el propósito y la capacidad, las baterías de iones de litio se pueden dividir en: aparatos eléctricos portátiles, teléfonos portátiles, computadoras portátiles, etc. ¿Baterías de iones de litio pequeñas? La capacidad de tales baterías es generalmente inferior a 2Ah.

Las baterías de iones de litio de gran capacidad se utilizan principalmente en herramientas eléctricas, vehículos eléctricos, vehículos eléctricos, EV? y vehículos híbridos elecreic (HEV). A medida que los precios internacionales del petróleo continúan subiendo, la demanda de baterías de litio para EV y HEV aumentará rápidamente. La batería de potencia se utiliza en vehículos eléctricos. Requiere una larga distancia para cargar el vehículo eléctrico. Por lo tanto, la capacidad de la batería es grande, y la capacidad de cada batería es de hasta cien Ah. La batería HEV requiere alta potencia y la capacidad de la batería es de aproximadamente 10 Ah.

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Las baterías recargables de iones de litio son actualmente las baterías más utilizadas en los productos digitales modernos, como los teléfonos móviles y las computadoras portátiles, pero son más "chirriantes" y no pueden sobrecargarse ni sobrecargarse durante el uso (lo que puede dañar la batería o causarla). ser desechado). Por lo tanto, hay componentes de protección o circuitos de protección en la batería para evitar daños costosos en la batería. Los requisitos de carga de la batería de ión de litio son muy altos, para garantizar que la precisión del voltaje de terminación esté dentro de ± 1%, los principales fabricantes de dispositivos semiconductores han desarrollado una variedad de IC de carga de batería de ión de litio para garantizar una carga segura, confiable y rápida.

Los teléfonos móviles básicamente utilizan baterías de litio-ion. El uso adecuado de las baterías de iones de litio es importante para prolongar la vida útil de la batería. Se puede convertir en plano rectangular, cilíndrico, rectangular y tipo botón según los requisitos de diferentes productos electrónicos, y tiene un paquete de baterías compuesto por varias baterías conectadas en serie y conectadas en paralelo. El voltaje nominal de una batería de iones de litio es generalmente de 3,7 V debido a un cambio en el material, y 3,2 V es un electrodo positivo de fosfato de litio y hierro (en lo sucesivo, "ferrofosforado"). El voltaje de carga de la terminación cuando está completamente cargado es generalmente de 4.2 V y el hierro de fósforo es de 3.65V. El voltaje de descarga de terminación de la batería de ión de litio es de 2.75 V a 3.0 V (la fábrica de baterías proporciona el rango de voltaje de trabajo o el voltaje de descarga de terminación, y los parámetros son ligeramente diferentes, generalmente 3.0 V, y el hierro de fósforo es de 2.5 V) . La descarga continua por debajo de 2.5V (hierro de fósforo 2.0V) se llama sobrecarga, y la descarga excesiva dañará la batería.

Una batería de iones de litio en la que el material de tipo cobalto de litio es un electrodo positivo no es adecuada para su uso como una descarga de corriente grande, y una descarga de corriente excesiva reduce el tiempo de descarga (se genera una alta temperatura internamente para perder energía), y puede ser peligroso; pero fosfato de litio y hierro. La batería de litio del material del cátodo se puede cargar y descargar con una corriente grande de 20C o más (C es la capacidad de la batería, como C = 800mAh, velocidad de carga 1C, es decir, la corriente de carga es 800mA), y Es especialmente adecuado para vehículos eléctricos. Por lo tanto, la planta de producción de baterías proporciona la corriente de descarga máxima, que debe ser menor que la corriente de descarga máxima en uso. Las baterías de ion litio tienen ciertos requisitos de temperatura. La fábrica proporciona el rango de temperatura de carga, el rango de temperatura de descarga y el rango de temperatura de almacenamiento. La sobrecarga de voltaje causará daños permanentes a la batería de iones de litio. La corriente de carga de la batería de iones de litio debe basarse en las recomendaciones del fabricante de la batería y requiere un circuito de corriente limitada para evitar la sobrecorriente (sobrecalentamiento). La relación de carga comúnmente utilizada es de 0.25C a 1C. A menudo es necesario detectar la temperatura de la batería durante la carga de alta corriente para evitar que el sobrecalentamiento dañe la batería o explote.

La carga de la batería de iones de litio se divide en dos fases: la primera carga de corriente constante y el cambio a la carga de voltaje constante cuando está cerca de la tensión de terminación. Por ejemplo, una batería de 800 mAh de capacidad tiene una tensión de carga de terminación de 4.2V. La batería se carga a una corriente constante de 800 mA (velocidad de carga 1C). Al principio, la tensión de la batería se incrementa con una gran pendiente. Cuando el voltaje de la batería está cerca de 4.2V, se cambia a un voltaje de carga constante de 4.2V, la corriente disminuye gradualmente y el voltaje no cambia mucho. Cuando la corriente de carga cae a 1 / 10-50 ° C (el valor de configuración de cada fábrica es diferente, no afecta el uso), se considera que está casi lleno y la carga se puede terminar (algunos cargadores inician el temporizador después de 1 / 10C, después de un cierto tiempo) Finalizar la carga).

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Proceso de fabricación de la batería de litio-ion:

El material de electrodo positivo de la batería de litio es óxido de litio y cobalto LiCoO2, material ternario Ni + Mn + Co, manganato de litio Li2MnO4 más agente conductor y aglutinante, recubierto en papel de aluminio para formar electrodo positivo, electrodo negativo es grafito en capas más agente conductor y enlace el agente está recubierto en una cinta de base de lámina de cobre, y se ha usado carbono nanoporoso para las partículas de grafito de capa negativa relativamente avanzadas.

1. Pulpeado: mezcla con un material activo positivo y negativo en polvo con un solvente especial y un aglutinante, y mezclándolos para formar una mezcla de materiales positivos y negativos.

2. Película de recubrimiento: los electrodos positivo y negativo se recubren uniformemente en la superficie de la lámina metálica mediante una máquina automática de recubrimiento, y se cortan automáticamente en piezas polares positivas y negativas después de que se sequen automáticamente.

3. Montaje: De acuerdo con el proceso de electrodo positivo, separador de hoja, electrodo negativo, separador de hoja de arriba a abajo, el electrolito se inyecta en el electrólito, se sella, y los electrodos positivo y negativo se sueldan, es decir, el conjunto El proceso de la batería se completa y la batería se fabrica.

Quimización: Coloque la batería terminada en el gabinete de prueba para cargar y descargar la prueba, y retire la batería terminada calificada, en espera de la entrega.

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Análisis químico de las baterías de ion litio:

Como todas las baterías químicas, las baterías de iones de litio también se componen de tres partes: el electrodo positivo, el electrodo negativo y el electrolito. Los materiales de los electrodos son todos iones de litio que se pueden intercalar (insertar) / desentrelazar (desentrepar).

Positivo

Material del cátodo: Como se mencionó anteriormente, hay muchos materiales de cátodo alternativos, y actualmente los productos principales utilizan fosfato de litio y hierro. Diferentes comparaciones de material catódico:

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Reacción positiva del electrodo: los iones de litio se incorporan durante la descarga y los iones de litio se desintercala durante la carga. Al cargar: LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi + xe Descarga: Li1-xFePO4 + xLi + xe → LiFePO4

Electrodo negativo

Material del ánodo: grafito se utiliza sobre todo. Una nueva investigación ha encontrado que el titanato puede ser un mejor material. Reacción negativa: el ion litio se desintercala durante la descarga y los iones litio se insertan durante la carga. Al cargar: xLi + xe + 6C → LixC6 Al descargar: LixC6 → xLi + xe + 6C

Generalmente dividido en las siguientes categorías:

El primer tipo es un material de electrodo negativo de carbono: los materiales de electrodo negativo que se utilizan actualmente en las baterías de ión litio son básicamente materiales de carbono, como grafito artificial, grafito natural, microesferas de carbono mesofásicas, coque de petróleo, fibra de carbono, resina de pirólisis de carbono, etc.

El segundo tipo es material de ánodo a base de estaño: el material de ánodo a base de estaño se puede dividir en óxido de estaño y óxido compuesto a base de estaño. El óxido se refiere a un óxido de varias latas de metal de valencia. Actualmente no hay productos comerciales.

El tercer tipo es un material de ánodo de nitruro de metal de transición que contiene litio, y actualmente no hay productos comerciales.

El cuarto tipo es un material de ánodo basado en la aleación: incluye aleaciones basadas en estaño, aleaciones basadas en silicio, aleaciones basadas en bismuto, aleaciones basadas en aluminio, aleaciones basadas en bismuto, aleaciones basadas en magnesio y otras aleaciones, y actualmente existen No hay productos comerciales.

El quinto tipo es un material de ánodo de nanoescala: nanotubos de carbono, materiales de nanoaleación.

El sexto nanomaterial es un material de nanoóxido: en la actualidad, Hefei Xiangzheng Chemical Technology Co., Ltd., basado en el desarrollo más reciente del desarrollo de mercado de la industria de la energía de la batería de litio en 2009, muchas empresas han comenzado a usar nano titanio óxido y nano El óxido de silicio para agregar a los nanotubos tradicionales de grafito, óxido de estaño y carbono aumenta considerablemente la cantidad de carga y descarga y el número de ciclos de carga y descarga de las baterías de litio.

1. Soluto: a menudo se usan sales de litio como el perclorato de litio (LiClO4), hexafluorofosfato de litio (LiPF6), tetrafluoroborato de litio (LiBF?).

2. Disolvente: dado que el voltaje de trabajo de la batería es mucho más alto que el voltaje de descomposición del agua, las baterías de ión litio a menudo usan solventes orgánicos como el éter dietílico, carbonato de etileno, carbonato de propileno, carbonato de dietilo y similares. Los disolventes orgánicos a menudo destruyen la estructura del grafito durante la carga, provocando su exfoliación y formando una interfase de electrólito sólido (SEI) en su superficie para provocar la pasivación del electrodo. Los disolventes orgánicos también presentan problemas de seguridad, como la inflamabilidad y los explosivos.


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