Τι είναι το στοιχείο μπαταρίας;
Κυτταρική Δομή
Μια μεμονωμένη μπαταρία, γνωστή και ως "κελί", είναι η μικρότερη μονάδα ενός συστήματος μπαταρίας. Αποτελείται κυρίως από κάθοδο (Cathode Electrode), άνοδο (Anode Electrode), ηλεκτρολύτη (Electrolyte), διαχωριστή (Separator) και case (Case), όπως φαίνεται στο Σχήμα 7-1.
Το φύλλο ηλεκτροδίου μιας κυψέλης ιόντων λιθίου-μπορεί να κατηγοριοποιηθεί ως σύνθετο υλικό, που αποτελείται κυρίως από τέσσερα μέρη:
1) Σωματίδια ενεργού υλικού που παρεμβάλλονται ή αποσυμπαλώνουν ιόντα λιθίου. Τα σωματίδια καθόδου παρέχουν την πηγή λιθίου, ενώ τα σωματίδια ανόδου δέχονται ιόντα λιθίου.
2) Η αγώγιμη φάση (φάση carbon gel) που σχηματίζεται από το μείγμα αγώγιμου παράγοντα και συλλέκτη ρεύματος, με το συνδετικό να εξυπηρετεί μια λειτουργία συγκόλλησης. η επίστρωση μεταφέρει ηλεκτρόνια μέσω του συλλέκτη ρεύματος και του αγώγιμου παράγοντα.
3) Πόροι γεμάτοι με ηλεκτρολύτη, οι οποίοι χρησιμεύουν ως κανάλια για τη μεταφορά ιόντων λιθίου- εντός του φύλλου ηλεκτροδίων.
4) Τρέχων συλλέκτης.
Κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής διαδικασίας, η επίστρωση ηλεκτροδίων περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες 4 διαδικασίες:
1)Μεταφορά ηλεκτρονίων.
2)Μεταφορά ιόντων.
3) Ανταλλαγή φορτίου στη διεπιφάνεια σωματιδίων ηλεκτρολύτη/ηλεκτροδίου, δηλ. στην ηλεκτροχημική αντίδραση.
4) Διάχυση ιόντων λιθίου εντός της στερεάς φάσης. Στη μικροδομή του φύλλου ηλεκτροδίου, το μέγεθος και η κατανομή των σωματιδίων επηρεάζουν τη διαδρομή διάχυσης ιόντων λιθίου-και την ειδική επιφάνεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Το μέγεθος και η κατανομή των πόρων επηρεάζουν τη διαδικασία μεταφοράς του ηλεκτρολύτη. Το πορώδες επηρεάζει την ποσότητα του ενεργού υλικού και την ειδική επιφάνεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. Όλα αυτά τα μικροδομικά χαρακτηριστικά επηρεάζουν τελικά την απόδοση της μπαταρίας.
Δομή καθόδου
Η κυτταρική κάθοδος αποτελείται κυρίως από υλικά καθόδου όπως LiCoO2, αγώγιμο παράγοντα, συνδετικό υλικό (PVDF) και συλλέκτη ρεύματος (αλουμινόχαρτο), όπως φαίνεται στο Σχήμα 7-2.
Για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου-, ο συλλέκτης ρεύματος καθόδου είναι συνήθως φύλλο αλουμινίου και ο συλλέκτης ρεύματος ανόδου είναιφύλλο χαλκού. Για να εξασφαλιστεί η σταθερότητα του συλλέκτη ρεύματος μέσα στην μπαταρία, η καθαρότητα και των δύο πρέπει να είναι πάνω από 98%. Οι λόγοι για τους οποίους οι μπαταρίες ιόντων λιθίου- χρησιμοποιούν φύλλο αλουμινίου για την κάθοδο και φύλλο χαλκού για την άνοδο είναι τα ακόλουθα 3 σημεία:
1)Ο χαλκός και το αλουμίνιο έχουν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, μαλακή υφή και χαμηλή τιμή. Η αρχή λειτουργίας μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου-είναι μια ηλεκτροχημική συσκευή που μετατρέπει τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Σε αυτή τη διαδικασία, απαιτείται ένα μέσο για τη μεταφορά της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία απαιτεί ένα αγώγιμο υλικό. Μεταξύ των κοινών υλικών, τα μέταλλα έχουν την καλύτερη ηλεκτρική αγωγιμότητα και μεταξύ των μετάλλων, ο χαλκός και το αλουμίνιο προσφέρουν εξαιρετική αγωγιμότητα και σχετικά χαμηλή τιμή με τη μορφή φύλλου χαλκού και φύλλου αλουμινίου. Στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, υπάρχουν κυρίως δύο μέθοδοι επεξεργασίας: περιέλιξη και στοίβαξη. Σε σύγκριση με τη στοίβαξη, η περιέλιξη απαιτεί τα φύλλα ηλεκτροδίων που χρησιμοποιούνται για την προετοιμασία της μπαταρίας να έχουν μια ορισμένη ευελιξία για να διασφαλίζεται ότι τα φύλλα ηλεκτροδίων δεν γίνονται εύθραυστα ή σπάνε κατά την περιέλιξη. Μεταξύ των μεταλλικών υλικών, τα φύλλα χαλκού και αλουμινίου είναι μαλακά, τα σχετικά σκληρά φύλλα χαλκού/αλουμινίου είναι ακριβά, τα φύλλα χαλκού και αλουμινίου είναι σχετικά φθηνά και οι πόροι χαλκού και αλουμινίου είναι άφθονα σε όλο τον κόσμο.
2) Τα φύλλα χαλκού και αλουμινίου είναι επίσης σχετικά σταθερά στον αέρα. Το αλουμίνιο αντιδρά εύκολα χημικά με το οξυγόνο του αέρα για να σχηματίσει ένα πυκνό φιλμ οξειδίου στην επιφάνεια, αποτρέποντας την περαιτέρω αντίδραση του αλουμινίου. Αυτό το φιλμ οξειδίου χαλκού/αλουμινίου παρέχει επίσης μια ορισμένη προστατευτική επίδραση στο αλουμίνιο στον ηλεκτρολύτη. Ο ίδιος ο χαλκός είναι σχετικά σταθερός στον αέρα και βασικά δεν υφίσταται χημικές αντιδράσεις στον ξηρό αέρα.
3) Τα δυναμικά καθόδου και ανόδου των μπαταριών ιόντων λιθίου-καθορίζουν ότι χρησιμοποιείται φύλλο αλουμινίου για την κάθοδο και φύλλο χαλκού για την άνοδο και δεν μπορούν να αντιστραφούν. Το δυναμικό καθόδου είναι υψηλό και το φύλλο χαλκού οξειδώνεται εύκολα σε υψηλό δυναμικό, ενώ το αλουμίνιο έχει υψηλό δυναμικό οξείδωσης και ένα πυκνό φιλμ οξειδίου στο επιφανειακό του στρώμα, το οποίο παρέχει επίσης καλή προστασία για το εσωτερικό αλουμίνιο.
Στο κρυσταλλικό πλέγμα του μεταλλικού αλουμινίου, ο χαλκός και το αλουμίνιο έχουν μεγέθη παρόμοια με το Li και μπορούν εύκολα να σχηματίσουν διαμεταλλικές ενώσεις με Li όπως το LiAl. Το Li και το Al όχι μόνο μπορούν να σχηματίσουν το κράμα με τον χημικό τύπο LiAl, αλλά μπορούν επίσης να σχηματίσουν στρώματα κράματος Li9Al4, Li3Al2, Li5Al και Li2Al. Αυτά τα στρώματα κράματος καταναλώνουν μεγάλη ποσότητα Li και καταστρέφουν τη δομή και τη μορφολογία του ίδιου του Al, επομένως δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συλλέκτης ρεύματος ανόδου των μπαταριών ιόντων λιθίου-. ενώ το Cu υφίσταται πολύ μικρή διάλυση κατά την εκφόρτιση-της μπαταρίας και διατηρεί τη δομική και ηλεκτροχημική σταθερότητα, καθιστώντας το κατάλληλο ως συλλέκτης ρεύματος ανόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου-. Για το φύλλο χαλκού στα 3,5 V, το ρεύμα πόλωσης αρχίζει να αυξάνεται σημαντικά και αυξάνεται γραμμικά, με εντατική οξείδωση, υποδεικνύοντας ότι το Cu αρχίζει επίσης να διαλύεται στην μπαταρία. ενώ για το φύλλο αλουμινίου σε όλο το εύρος του δυναμικού πόλωσης, το ρεύμα πόλωσης είναι μικρό και σταθερό, χωρίς να παρατηρούνται εμφανή φαινόμενα διάβρωσης, διατηρώντας την ηλεκτροχημική σταθερότητα. Δεδομένου ότι η ποσότητα διάλυσης του Al στο εύρος του δυναμικού καθόδου των μπαταριών ιόντων λιθίου- είναι εξαιρετικά μικρή και μπορεί να διατηρηθεί η ηλεκτροχημική σταθερότητα, είναι κατάλληλος ως συλλέκτης ρεύματος καθόδου για μπαταρίες ιόντων λιθίου-.
Το στρώμα οξειδίου στις επιφάνειες χαλκού/αλουμινίου ανήκει σε ημιαγωγούς και αγώγει ηλεκτρόνια. Εάν το στρώμα οξειδίου είναι πολύ παχύ, η αντίσταση είναι μεγάλη. Ενώ το στρώμα οξειδίου του αλουμινίου στην επιφάνεια του αλουμινίου είναι μονωτήρας και δεν μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρισμό, αλλά επειδή είναι πολύ λεπτό, η αγωγιμότητα των ηλεκτρονίων επιτυγχάνεται μέσω του φαινομένου της σήραγγας. Εάν το στρώμα οξειδίου είναι παχύ, η αγωγιμότητα του φύλλου χαλκού/αλουμινίου είναι κακή ή ακόμη και μονωτική. Γενικά, το φύλλο χαλκού/αλουμινίου πρέπει να καθαριστεί από το στρώμα οξειδίου πριν από τη χρήση για να αφαιρεθεί το λάδι από τη μία πλευρά και τα παχιά στρώματα οξειδίου από την άλλη. Το δυναμικό καθόδου είναι υψηλό και το στρώμα οξειδίου του αλουμινίου είναι πολύ πυκνό, γεγονός που μπορεί να αποτρέψει την οξείδωση του συλλέκτη ρεύματος. Τα στρώματα οξειδίου χαλκού/νικελίου κ.λπ. είναι σχετικά χαλαρά, εμποδίζοντας εύκολα τον συλλέκτη ρεύματος και παρέχοντας καλύτερη απόδοση της μπαταρίας. Ταυτόχρονα, το δυναμικό ανόδου των μπαταριών ιόντων λιθίου- είναι χαμηλό και ο χαλκός/νικέλιο θα υποστεί αντιδράσεις οξείδωσης, με αντιδράσεις οξείδωσης/χαλκού/απ-λιθίωσης να συμβαίνουν στην επιφάνεια χαλκού/νικελίου, ενώ το αλουμίνιο υφίσταται κράμα LiAl σε υψηλό δυναμικό.
Ο τρέχων συλλέκτης απαιτεί καθαρή σύνθεση. Οι ακαθαρσίες στο Al θα κάνουν την επιφανειακή μεμβράνη λιγότερο πυκνή και θα προκαλέσουν διάβρωση με κοιλότητες και ακόμη πιο σοβαρά, η καταστροφή της επιφανειακής μεμβράνης οδηγεί στο σχηματισμό κράματος LiAl.
Ο τρέχων συλλέκτης απαιτεί καθαρή σύνθεση. Οι ακαθαρσίες στο Al θα κάνουν το επιφανειακό φιλμ να είναι λιγότερο πυκνό, οδηγώντας σε διάβρωση με κοιλότητες και ακόμη χειρότερα, η καταστροφή του επιφανειακού φιλμ οδηγεί στο σχηματισμό κράματος LiAl.
Για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου, το φύλλο αλουμινίου καθόδου έχει μειωθεί από 16μm σε 14μm, μετά σε 12μm, και τώρα το φύλλο αλουμινίου 10μm είναι ήδη σε μαζική παραγωγή, ενώ ορισμένοι χρησιμοποιούν ακόμη και 8μm. για το φύλλο χαλκού ανόδου, λόγω της εγγενώς καλύτερης ευελιξίας του, το πάχος του έχει μειωθεί από τα προηγούμενα 12μm σε 10μm, μετά στα 8μm, και επί του παρόντος μεγάλο μέρος των μπαταριών-παράγεται μαζικά με χρήση 6μm, ενώ ορισμένοι κατασκευαστές αναπτύσσουν 5μm/4μm που μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Δεδομένου ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου{14} έχουν υψηλές απαιτήσεις καθαρότητας για το φύλλο χαλκού που χρησιμοποιείται, η πυκνότητα του υλικού είναι βασικά στο ίδιο επίπεδο. Καθώς το υπό ανάπτυξη πάχος μειώνεται, η πυκνότητα της περιοχής μειώνεται αναλόγως και το βάρος της μπαταρίας γίνεται φυσικά όλο και πιο ελαφρύ, γεγονός που ικανοποιεί τη ζήτηση για μπαταρίες ιόντων λιθίου-.
Για τους συλλέκτες ρεύματος, εκτός από το πάχος και το βάρος τους που επηρεάζουν τις μπαταρίες ιόντων λιθίου-, οι ιδιότητες της επιφάνειας του τρέχοντος συλλέκτη έχουν επίσης σημαντικό αντίκτυπο στην παραγωγή και την απόδοση των μπαταριών. Ειδικά για τον συλλέκτη ρεύματος ανόδου, λόγω ελαττωμάτων στην τεχνολογία προετοιμασίας, τα φύλλα χαλκού στην αγορά είναι κυρίως μονής-τραχύτητας, διπλής-τραχύτητας διπλής όψης και χονδροποιημένης διπλής-όψης. Αυτή η ασύμμετρη δομή δύο-όψεων θα οδηγήσει σε ασύμμετρη αντίσταση επαφής της επικάλυψης ανόδου και στις δύο πλευρές, αποτρέποντας έτσι την ομοιόμορφη απελευθέρωση της χωρητικότητας ανόδου και στις δύο πλευρές. Ταυτόχρονα, η ασυμμετρία και στις δύο πλευρές θα προκαλέσει επίσης ασυνεπή αντοχή πρόσφυσης της επικάλυψης ανόδου, με αποτέλεσμα σοβαρά μη ισορροπημένη διάρκεια ζωής του κύκλου φόρτισης-απόρριψης της επικάλυψης ανόδου και στις δύο πλευρές, γεγονός που με τη σειρά της επιταχύνει τη μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας.
Η σύνθεση καθόδου ενός μόνο κυττάρου είναι η βασική τεχνολογία πυρήνα του κυττάρου. Παρακάτω είναι ένα παράδειγμα:
1)LiCoO2 (10μm): 96,0%.
2) Αγώγιμος παράγοντας (Carbon ECP): 2,0%.
3)Συνδετικό (PVDF 761): 2,0%.
4) Προαγωγέας πρόσφυσης (NMP): Η αναλογία βάρους των στερεών ουσιών είναι περίπου 810:1496.
Προφυλάξεις για τη σύνθεση καθόδου:
1) Έλεγχος ιξώδους πολτού καθόδου στα 6000cP (1cP=1mPa · s) (θερμοκρασία 25 βαθμοί).
2) Το βάρος του NMP πρέπει να ρυθμιστεί κατάλληλα ώστε να ανταποκρίνεται στην απαίτηση ιξώδους.
3) Δώστε ιδιαίτερη προσοχή στην επίδραση της θερμοκρασίας και της υγρασίας στο ιξώδες.
Καθοδικό υλικό οξείδιο λιθίου κοβαλτίου: Καθοδικό ενεργό υλικό, πηγή ιόντων λιθίου, παρέχει πηγή λιθίου για την μπαταρία. Μη-πολική ουσία, ακανόνιστο σχήμα, μέγεθος σωματιδίων D50 γενικά 6-8μm, περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη ή ίση με 0,2%, συνήθως αλκαλικό, pH 10-11.
Υλικό καθόδου οξείδιο λιθίου μαγγανίου: Μη-πολική ουσία, ακανόνιστο σχήμα, μέγεθος σωματιδίων D50 γενικά 5-7μm, περιεκτικότητα σε υγρασία μικρότερη ή ίση με 0,2%, συνήθως ασθενώς αλκαλικό, pH περίπου 8.
Αγώγιμος παράγοντας: Αλυσίδα-όπως ουσία, περιεκτικότητα σε υγρασία<1%, particle size generally 1~5um.Superconductive carbon black with excellent conductivity is usually used, such as KetjenblackCarbon ECP and ECP600JD. lts function is to improve the conductivity of the cathode material,compensate for the electronic conductivity of the cathode active material; increase the electrolyteabsorption of the cathode sheet, expand the reaction interface, and reduce polarization.
Συνδετικό (PVDF): Μη-πολική ουσία, σαν αλυσίδα-, μοριακό βάρος που κυμαίνεται από 300000 έως 3000000. Το μοριακό βάρος μειώνεται μετά την απορρόφηση του νερού, με αποτέλεσμα φτωχότερη πρόσφυση. Χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου, αγώγιμου παράγοντα και φύλλου αλουμινίου ή πλέγματος αλουμινίου μαζί Προαγωγέας πρόσφυσης (NMP): Ασθενές πολικό υγρό, που χρησιμοποιείται για τη διάλυση/διόγκωση PVDF και την ταυτόχρονη αραίωση του πολτού.
Συλλέκτης ρεύματος (καρτέλα καθόδου): Κατασκευασμένος από φύλλο αλουμινίου ή λωρίδα αλουμινίου.
Δομή ανόδου
Η δομή της ανόδου της κυψέλης αποτελείται από υλικό γραφίτη, αγώγιμο παράγοντα, πυκνωτικό (CMC), συνδετικό υλικό (SBR) και συλλέκτη ρεύματος (φύλλο χαλκού), όπως φαίνεται στο Σχήμα 7-3.
Η σύνθεση ανόδου ενός μεμονωμένου στοιχείου είναι επίσης μία από τις βασικές τεχνολογίες πυρήνα της κυψέλης, συνήθως ως εξής:
1)Υλικό ανόδου (γραφίτης): 94,5%.
2)Αγωγός παράγοντας (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3)Συνδετικό (στυρένιο-λαστιχένιο λατέξ βουταδιενίου, SBR): 2,25%.
4) Πυκνωτικό (καρβοξυμεθυλοκυτταρίνη, CMC): 2,25%.
5)Νερό: Η αναλογία βάρους των στερεών ουσιών είναι 1600:1417,5.
Προφυλάξεις για τη σύνθεση ανόδου:
1) Έλεγχος ιξώδους πολτού ανόδου στους 5000-6000cP (θερμοκρασία 25 βαθμούς).
2) Το βάρος του νερού πρέπει να ρυθμιστεί κατάλληλα για να καλύψει την απαίτηση ιξώδους.
3) Δώστε ιδιαίτερη προσοχή στην επίδραση της θερμοκρασίας και της υγρασίας στο ιξώδες.
Γραφίτης: Ανοδικό ενεργό υλικό, η κύρια ουσία που αποτελεί την αντίδραση ανόδου, που χωρίζεται κυρίως σε δύο μεγάλες κατηγορίες: φυσικό γραφίτη και τεχνητό γραφίτη. Μη-πολική ουσία, που μολύνεται εύκολα από μη-πολικές ουσίες, διασκορπίζεται εύκολα σε μη-πολικές ουσίες. δεν απορροφάται εύκολα νερό, ούτε διασκορπίζεται εύκολα στο νερό. Ο μολυσμένος γραφίτης, αφού διασκορπιστεί στο νερό, έχει την τάση να-συσσωματώνεται ξανά. Το γενικό μέγεθος σωματιδίων D50 είναι περίπου 20μm. Τα σχήματα των σωματιδίων είναι ποικίλα και ως επί το πλείστον ακανόνιστα, κυρίως σφαιρικά, νιφώδη, ινώδη κ.λπ.
Λειτουργίες αγώγιμου παράγοντα:
1) Βελτιώστε την αγωγιμότητα του φύλλου ανόδου και αντισταθμίστε την ηλεκτρονική αγωγιμότητα του ενεργού υλικού της ανόδου.
2) Αύξηση του βάθους αντίδρασης και του ποσοστού χρήσης.
3) Αποτρέψτε τη δημιουργία δενδριτών.
4)Χρησιμοποιήστε την ικανότητα απορρόφησης υγρών-των αγώγιμων υλικών για να αυξήσετε τη διεπαφή αντίδρασης και να μειώσετε την πόλωση (μπορεί να προστεθεί ή όχι σύμφωνα με την κατανομή μεγέθους σωματιδίων γραφίτη).
Πρόσθετα: Μειώνουν τις μη αναστρέψιμες αντιδράσεις, αυξάνουν τη δύναμη σύνδεσης και το ιξώδες του πολτού και αποτρέπουν την καθίζηση του πολτού.
Πυκνωτικό/αντι-καθίζημα (CMC): Υψηλή μοριακή ένωση, εύκολα διαλυτή σε νερό και πολικούς διαλύτες.
Ισοπροπανόλη: Ασθενώς πολική ουσία. μετά την προσθήκη, μπορεί να μειώσει την πολικότητα του διαλύματος συνδετικού, να βελτιώσει τη συμβατότητα μεταξύ γραφίτη και διαλύματος συνδετικού. έχει ισχυρή αντιαφριστική δράση. καταλύει εύκολα τη διασταυρούμενη-σύνδεση του δικτύου συνδετικών και βελτιώνει την αντοχή συγκόλλησης.
Αιθανόλη: Ασθενώς πολική ουσία. μετά την προσθήκη, μπορεί να μειώσει την πολικότητα του διαλύματος συνδετικού, να βελτιώσει τη συμβατότητα μεταξύ γραφίτη και διαλύματος συνδετικού. έχει ισχυρή αντιαφριστική δράση. καταλύει εύκολα τη γραμμική διασταυρούμενη-σύνδεση του συνδετικού υλικού και βελτιώνει την αντοχή του δεσμού (οι λειτουργίες της ισοπροπανόλης και της αιθανόλης είναι ουσιαστικά οι ίδιες. Κατά τη μάζα-παραγωγή, μπορούν να ληφθούν υπόψη παράγοντες κόστους για να επιλεγεί ποια θα προστεθεί).
Συνδετικό με βάση το νερό (SBR): Συνδέει γραφίτη, αγώγιμο παράγοντα, πρόσθετα και φύλλο χαλκού ή πλέγμα χαλκού. μόριο γαλακτώματος γραμμικής αλυσίδας, εξαιρετικά διαλυτό σε νερό και πολικούς διαλύτες.
Απιονισμένο νερό (ή απεσταγμένο νερό): Το αραιωτικό, που προστίθεται σε κατάλληλη ποσότητα, μπορεί να αλλάξει τη ρευστότητα του πολτού.
Προεξοχή ανόδου: Κατασκευασμένο από φύλλο χαλκού ή λωρίδα χαλκού.
