Principios básicos, componentes principales y descripción general de las baterías de litio

Principios básicos, componentes principales y descripción general de las baterías de litio

La batería de iones de litio se refiere a una batería secundaria de iones de litio que se puede cargar repetidamente, en lugar de la batería principal que desechamos cuando se agota.

Las baterías de iones de litio se distribuyen en todos los rincones de nuestra vida. Las aplicaciones incluyen teléfonos móviles, tabletas, computadoras portátiles, relojes inteligentes, fuentes de alimentación móviles, fuentes de alimentación de emergencia, maquinillas de afeitar, bicicletas eléctricas, coches eléctricos, autobuses eléctricos. Automóviles turísticos, drones y otros tipos de herramientas eléctricas. Como portador de energía eléctrica y fuente de energía para muchos dispositivos, se puede decir que sin la batería de iones de litio, el mundo material de hoy no puede jugar (a menos que queramos retroceder décadas atrás). Entonces, ¿cuál es el fantasma de una batería de iones de litio?

Este artículo no es el principio básico ni el historial de desarrollo de la popular batería. Si está interesado, consulte Baidu. Hay muchas historias aquí. La teoría básica en los campos de la física y la química fue hecha básicamente por la ola de personas antes 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 hubo una gran innovación después de la Segunda Guerra Mundial. Como tipo de tecnología de baterías, la investigación teórica relacionada con las baterías de iones de litio no ha logrado ningún avance en los últimos años. La mayor parte de la investigación se centra en materiales, formulaciones, procesos, etc., es decir, cómo mejorar el grado de industrialización y el rendimiento de la investigación. Una batería de iones de litio más excelente (se almacena y se utiliza más energía durante más tiempo).

Muchas personas están usando baterías de iones de litio, muchas personas están estudiando la aplicación de las baterías de iones de litio (como los productos mencionados anteriormente), pero la mayoría de la gente sabe muy poco sobre las baterías de iones de litio, o siempre mira la niebla, de ninguna manera. . El propósito de escribir este artículo no es para aquellos que desean desarrollar baterías de iones de litio, sino para aquellos ingenieros que usan baterías de iones de litio en sus productos o usuarios de baterías de iones de litio. Por lo tanto, este artículo se esfuerza por ser fácil de entender, trate de no utilizar terminología y fórmulas especializadas y espere que, en la lectura fácil, pueda mejorar la comprensión de todos sobre las baterías de iones de litio y desempeñar un papel en la respuesta a las preguntas.

El autor no es un experto en el campo de las baterías de iones de litio. No se ha dedicado a la investigación y el desarrollo de celdas de baterías de iones de litio, pero se ha dedicado a la investigación de aplicaciones de baterías de iones de litio durante mucho tiempo. Por lo tanto, espera estar en la perspectiva de los "usuarios" para explicar la comprensión de las baterías de iones de litio. Los usuarios habituales suelen llamar a las baterías de iones de litio directamente como baterías de litio. Aunque los dos no son lo mismo, las baterías de iones de litio son de hecho el cuerpo principal absoluto de las baterías de litio actuales.

La mayor parte del contenido del texto no es mi original, pero el conocimiento existente, apoyado sobre los hombros de gigantes, todo lo que debemos hacer es mantenernos erguidos, levantar la cabeza y el mundo está frente a nuestros ojos.

En segundo lugar, el principio básico de la batería de iones de litio.

1. Cómo elegir el portador de energía

Primero, todos se preguntarán, ¿por qué elegir el litio como portador de energía?

Bueno, aunque no queremos repasar los conocimientos de química, este problema debe ir a la tabla periódica para encontrar la respuesta. Afortunadamente, ¿todavía recuerdas la tabla periódica? Realmente no lo recuerdo, tomemos un minuto para mirar la tabla de abajo.

Para ser un buen portador de energía, almacene y transporte más energía en el menor volumen y peso posible. Por lo tanto, se deben cumplir las siguientes condiciones básicas:

1) La masa relativa del átomo es pequeña.

2) Fuerte capacidad para ganar y perder electrones.

3) La relación de transferencia electrónica es alta

Con base en estos tres principios básicos, los elementos sobre la tabla periódica son mejores que los elementos a continuación, y los elementos de la izquierda son mejores que los elementos de la derecha. Para la selección inicial, solo podemos encontrar materiales en el primer y segundo ciclo de la tabla periódica: hidrógeno, helio, litio, cesio, boro, carbono, nitrógeno, oxígeno, flúor y antimonio. Excluyendo los gases inertes y oxidantes, solo quedan cinco elementos de hidrógeno, litio, helio, boro y carbono.

El hidrógeno es el mejor portador de energía de la naturaleza, por lo que la investigación sobre las pilas de combustible de hidrógeno ha ido en ascenso, lo que 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 celdas de combustible nuclear portátiles tendrán un amplio margen de desarrollo.

El siguiente paso es el litio. La elección del litio como batería se basa en todos los elementos actuales de la Tierra. Podemos encontrar una solución relativamente buena (las reservas de 铍 son muy pocas, metales raros en metales raros). La ruta técnica entre las pilas de combustible de hidrógeno y las baterías de iones de litio está en pleno apogeo en el campo de los vehículos eléctricos. Probablemente debido a estos dos elementos, es un mejor portador de energía que podemos encontrar ahora. Por supuesto, también hay muchos intereses comerciales e incluso juegos políticos. Estas no son las áreas que se discutirán en este artículo.

Por cierto, la energía que ya existe en la naturaleza y ampliamente utilizada por los humanos, como el petróleo, el gas natural, el carbón, etc., también está compuesta por carbono, hidrógeno, oxígeno y otros elementos (en el primer y segundo ciclo). de la tabla periódica). Por lo tanto, ya sea una elección natural o un "diseño" humano, en última instancia es lo mismo.

2. El principio de funcionamiento de la batería de iones de litio

Hablemos del mecanismo de funcionamiento de las baterías de iones de litio. La reacción de oxidación-reducción no se describe aquí. La base química no es buena, o la persona que ya ha devuelto el conocimiento químico al maestro verá mareos, por lo que todavía tenemos una descripción sencilla. Tomando prestada una imagen aquí, esta imagen es más fácil de entender el principio de las baterías de iones de litio.

Según el hábito de uso, distinguimos lo positivo (+) y lo negativo (-) según la diferencia de voltaje entre carga y descarga. El ánodo y el cátodo no se mencionan aquí, lo que requiere mucho tiempo y es laborioso. En esta figura, el material del electrodo positivo de la batería es cobaltato de litio (LiCoO2) y el material del electrodo negativo es grafito (C).

Al cargar, bajo la influencia del campo eléctrico aplicado, el elemento de litio en la molécula de LiCoO2 del material del electrodo positivo se separa y se convierte en un ion de litio cargado positivamente (Li +). Bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico, se mueve del electrodo positivo al electrodo negativo, y en el electrodo negativo, el átomo de carbono reacciona químicamente para formar LiC6, de modo que los iones de litio que salen del electrodo positivo están incrustados "de manera estable". en la estructura en capas de grafito del electrodo negativo. Cuantos más iones de litio se transfieran del electrodo positivo al electrodo negativo, más energía puede almacenar la batería.

Cuando la descarga es todo lo contrario, el campo eléctrico interno gira, los iones de litio (Li +) se separan del electrodo negativo, y en la dirección del campo eléctrico, regresan al electrodo positivo y se convierten en moléculas de cobaltato de litio (LiCoO2). . Cuantos más iones de litio se transfieran del electrodo negativo al electrodo positivo, más energía puede liberar la batería.

Durante cada ciclo de carga-descarga, el ión de litio (Li +) actúa como un portador de la energía eléctrica, y el movimiento del electrodo positivo al electrodo negativo al electrodo positivo se mueve alternativamente hacia adelante y hacia atrás, reacciona químicamente con los materiales positivos y negativos, y convierte energía química y energía eléctrica. Se realiza la transferencia de carga, que es el principio básico de la "batería de iones de litio". Dado que el electrolito, el separador y similares son todos aislantes de electrones, ningún electrón se mueve hacia adelante y hacia atrás entre los electrodos positivo y negativo durante este ciclo, y solo participan en la reacción química de los electrodos.

3. La composición básica de la batería de iones de litio.

Para lograr las funciones anteriores, la batería de iones de litio debe contener varios materiales básicos en su interior: un material activo de electrodo positivo, un material activo de electrodo negativo, un separador y un electrolito. Analicemos brevemente qué hacen estos materiales.

No es difícil comprender los polos positivo y negativo. Para lograr la transferencia de carga, se necesitan materiales positivos y negativos con diferencia de potencial. ¿Qué es la sustancia activa? Sabemos que las baterías convierten la energía eléctrica y la energía química entre sí para lograr el almacenamiento y la liberación de energía. Para lograr este proceso, el material de los electrodos positivo y negativo debe ser "fácil" para participar en la reacción química, ser activo, oxidarse y reducirse fácilmente y lograr la conversión de energía, por lo que necesitamos "sustancias activas". 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 metal de litio como material activo para los electrodos? ¿No es esta la máxima densidad de energía que se puede lograr?

Miremos la imagen de arriba. El oxígeno (O), el cobalto (Co) y el litio (Li) constituyen una estructura de material de cátodo muy estable (la relación y la disposición en la figura son solo de referencia), y los átomos de carbono del grafito del ánodo. La disposición también tiene una estructura en capas muy estable. Los materiales positivos y negativos no solo son activos, sino que también tienen una estructura muy estable para lograr una reacción química ordenada y controlable. ¿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 esta reacción química es imposible de controlar con precisión, por lo que la energía química se convierte en energía térmica y la energía se libera de una vez y es irreversible.

El elemento litio en forma de metal es demasiado "vivo", y los niños traviesos son en su mayoría desobedientes y les gusta destruir. Las primeras investigaciones sobre baterías de litio se enfocaron en la dirección de usar litio metálico o sus aleaciones como electrodo negativo, pero debido a los problemas de seguridad, tuvimos que encontrar otros caminos mejores. En los últimos años, con la búsqueda de la densidad energética, esta dirección de investigación tiene una tendencia de "resurrección de sangre completa", de la que hablaremos más adelante.

Para lograr la estabilidad química durante el almacenamiento y la liberación de energía, es decir, la seguridad y la larga vida útil del ciclo de carga y descarga de la batería, necesitamos un material de electrodo que esté activo cuando necesite estar activo y estable cuando necesite ser estable. . Después de una investigación y exploración a largo plazo, las personas han encontrado varios óxidos de metal de litio, como cobaltato de litio, titanato de litio, fosfato de hierro y litio, manganato de litio, ternario de níquel cobalto manganeso y otros materiales, como el electrodo activo o negativo de la batería, la sustancia. resuelve los problemas anteriores. Como se muestra en la figura anterior, la estructura de olivina del fosfato de hierro y litio es también una estructura muy estable del material del electrodo positivo, y la desintercalación de los iones de litio durante la carga y descarga no provoca el colapso de la red. Fuera de tema, las baterías de metal de litio están ahí, pero en comparación con las baterías de iones de litio, casi insignificante, el desarrollo de la tecnología y, en última instancia, todavía debe servir al mercado.

Por supuesto, mientras se resuelve el problema de estabilidad, también trae serios "efectos secundarios", es decir, la proporción de litio como portador de energía se reduce en gran medida, la densidad de energía se reduce en más de un orden de magnitud, y debe haber una pérdida, la forma natural.

El electrodo negativo generalmente elige grafito u otros materiales de carbono como material activo. También sigue los principios anteriores. Requiere un buen portador de energía y es relativamente estable. También tiene reservas relativamente abundantes para la fabricación a gran escala, en busca de carbono. El elemento es una solución relativamente buena. Por supuesto, esta no es la única solución. La investigación sobre materiales de ánodos es muy extensa y se discutirá más adelante.

¿Qué es el electrolito? Hablando popularmente, el "agua" dentro de la piscina permite que los iones de litio naden libremente, por lo que la conductividad iónica es alta (poca resistencia a la natación), la conductividad electrónica es pequeña (aislamiento), la estabilidad química es buena (estabilidad abrumadora), térmica la estabilidad es buena (todo por seguridad), la ventana potencial debe ser amplia. Con base en estos principios, después de una exploración de ingeniería a largo plazo, las personas han encontrado electrolitos preparados a partir de disolventes orgánicos de alta pureza, sales de electrolito de litio y aditivos necesarios, bajo ciertas condiciones y en una determinada proporción. El disolvente orgánico es PC (carbonato de propileno), EC (carbonato de etileno), DMC (dimetil carbonato), DEC (dietil carbonato), EMC (etil metil carbonato) y similares. La sal de litio electrolítica tiene materiales como LiPF6 y LiBF4.

El separador se agrega para evitar el contacto directo entre los materiales positivos y negativos. Esperamos hacer la batería lo más pequeña posible y almacenar la mayor cantidad de energía posible, para que la distancia entre los electrodos positivo y negativo sea cada vez más corta. Conviértete en un gran riesgo. Para evitar el cortocircuito de los materiales positivos y negativos, resultando en la intensa liberación de energía, es necesario "separar" los electrodos positivo y negativo con un material, que es el origen del separador. El separador debe tener una buena permeabilidad a los iones, principalmente para abrir canales para los iones de litio, que le permitan pasar libremente, y al mismo tiempo ser un aislante de electrones para lograr el aislamiento entre los electrodos positivo y negativo. En la actualidad, los separadores en el mercado incluyen principalmente PP de una capa, PE de una sola capa, PP / PE de doble capa y películas compuestas 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, para convertir una batería de iones de litio de un "producto experimental" en el laboratorio a un producto que se pueda comercializar, se necesitan otros materiales indispensables.

Veamos primero el electrodo positivo de la batería, además del material activo, así como el agente conductor y el aglutinante, así como el sustrato y el colector de corriente utilizado como portador de corriente (el electrodo positivo suele ser papel de aluminio). . El aglutinante debe "fijar" uniformemente el óxido de metal de litio como material activo en la tira de base positiva, y el agente conductor debe mejorar la conductividad eléctrica del material activo y el sustrato para lograr una mayor carga y corriente de descarga, y el colector de corriente se encarga de actuar como batería. Puentes de transferencia de carga internos y externos.

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

Además de los materiales anteriores, una batería de iones de litio completa también incluye láminas de aislamiento, placas de cubierta, válvulas de alivio de presión, carcasas (aluminio, acero, membranas compuestas, etc.), así como otros materiales auxiliares.

5. Proceso de fabricación de baterías de iones de litio

El proceso de fabricación de las baterías de iones de litio es complicado y aquí solo se describen brevemente algunos procesos clave. Dependiendo de la forma en que se ensambla la pieza polar, generalmente hay dos rutas para el enrollado y la laminación.

El proceso de laminación es un proceso de fabricación en el que un electrodo positivo y un electrodo negativo se cortan en trozos pequeños y se lamina un separador para formar una celda pequeña, y luego las celdas pequeñas se apilan en paralelo para formar una celda grande. El flujo general del proceso es el siguiente:

El proceso de enrollado consiste en fijar los electrodos positivo y negativo, el separador, los electrodos positivo y negativo, la cinta protectora, la cinta de terminación y similares en el dispositivo, y el dispositivo se completa desenrollando la batería.

Las formas comunes de las baterías de iones de litio son principalmente cilíndricas y cuadradas y con diferentes materiales de carcasa, hay carcasas de metal y carcasas blandas.

La página contiene el contenido de la traducción automática.