Обзор литиевых батарей |Возобновляемая энергия BSLBATT

BSLBATT Engineered Technologies использует наши опытные команды инженеров, дизайнеров, специалистов по контролю качества и производства, чтобы наши клиенты могли быть уверены в технически передовых решениях для батарей, которые отвечают уникальным требованиям их конкретных приложений.Мы специализируемся на перезаряжаемых и неперезаряжаемых литиевых элементах и ​​батареях, а также работаем с различными химическими составами литиевых элементов, чтобы предлагать варианты и решения для требовательных приложений по всему миру.

Литиевый аккумулятор Технологии

Наши широкие производственные возможности позволяют нам создавать самые простые аккумуляторные блоки, а также индивидуальные блоки со специализированными схемами, разъемами и корпусами.У нас есть возможности и отраслевой опыт, чтобы удовлетворить уникальные потребности всех OEM-производителей, от малых до больших объемов, поскольку наша опытная команда инженеров может проектировать, разрабатывать, тестировать и производить индивидуальные аккумуляторные решения для конкретных потребностей большинства приложений.

BSLBATT предлагает готовые решения на основе требований и спецификаций заказчика.Мы сотрудничаем с ведущими в отрасли производителями аккумуляторов, чтобы предоставить оптимальные решения, а также разрабатываем и интегрируем самую сложную электронику управления и контроля в аккумуляторные блоки.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

В литий-ионных батареях используется сильный восстановительный потенциал ионов лития для обеспечения окислительно-восстановительной реакции, являющейся центральной для всех аккумуляторных технологий, — восстановления на катоде и окисления на аноде.Соединение положительной и отрицательной клемм батареи через цепь объединяет две половины окислительно-восстановительной реакции, позволяя устройству, подключенному к цепи, извлекать энергию из движения электронов.

Несмотря на то, что сегодня в промышленности используется много различных типов химических веществ на основе лития, мы будем использовать оксид лития-кобальта (LiCoO2) — химический состав, который позволил литий-ионным батареям заменить никель-кадмиевые батареи, которые были нормой для потребителей. электроники до 90-х годов — чтобы продемонстрировать основные химические основы этой популярной технологии.

Полная реакция для катода LiCoO2 и графитового анода выглядит следующим образом:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Где прямая реакция представляет собой зарядку, а обратная реакция представляет собой разрядку.Его можно разбить на следующие полуреакции:

На положительном электроде во время разряда происходит восстановление на катоде (см. обратную реакцию).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

На отрицательном электроде во время разряда происходит окисление на аноде (см. обратную реакцию).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Во время разряда ионы лития (Li+) перемещаются от отрицательного электрода (графит) через электролит (соли лития, взвешенные в растворе) и сепаратор к положительному электроду (LiCoO2).В то же время электроны перемещаются от анода (графит) к катоду (LiCoO2), который подключен через внешнюю цепь.Если применяется внешний источник питания, реакция меняется на противоположную вместе с ролями соответствующих электродов, заряжающих элемент.

Что внутри литий-ионного аккумулятора

Ваш типичный цилиндрический элемент 18650, который является распространенным форм-фактором, используемым в промышленности для коммерческих приложений от ноутбуков до электромобилей, имеет OCV (напряжение холостого хода) 3,7 вольт.В зависимости от производителя он может выдавать около 20 ампер при емкости 3000 мАч и более.Аккумуляторная батарея будет состоять из нескольких элементов и, как правило, включать защитный микрочип для предотвращения перезарядки и разрядки ниже минимальной емкости, что может привести как к перегреву, пожарам, так и к взрывам.Рассмотрим внутренности клетки подробнее.

Положительный электрод/катод

Ключом к разработке положительного электрода является выбор материала, который имеет электрический потенциал выше 2,25 В по сравнению с чистым металлическим литием.Материалы катодов в ионно-литиевых батареях сильно различаются, но обычно они состоят из слоистых оксидов литиевых переходных металлов, как, например, конструкция катода LiCoO2, которую мы исследовали ранее.Другие материалы включают шпинели (например, LiMn2O4) и оливины (например, LiFePO4).

Отрицательный электрод/анод

В идеальной литиевой батарее вы должны использовать чистый металлический литий в качестве анода, потому что он обеспечивает оптимальное сочетание низкой молекулярной массы и высокой удельной емкости, возможной для батареи.Есть две основные проблемы, препятствующие использованию лития в качестве анода в коммерческих целях: безопасность и обратимость.Литий обладает высокой реакционной способностью и склонен к катастрофическим отказам пиротехнического типа.Также во время заряда литий не будет возвращаться в исходное однородное металлическое состояние, а вместо этого примет игольчатую морфологию, известную как дендрит.Образование дендритов может привести к проколам сепараторов, что может привести к короткому замыканию.

Решением, которое исследователи придумали, чтобы использовать преимущества металлического лития без всех недостатков, была интеркаляция лития — процесс наслоения ионов лития в углеродный графит или какой-либо другой материал, чтобы обеспечить легкое перемещение ионов лития от одного электрода к другому.Другие механизмы включают использование анодных материалов с литием, которые делают более возможными обратимые реакции.Типичные анодные материалы включают графит, сплавы на основе кремния, олово и титан.

Разделитель

Роль сепаратора состоит в том, чтобы обеспечить слой электрической изоляции между отрицательным и положительным электродами, в то же время позволяя ионам проходить через него во время заряда и разряда.Он также должен быть химически стойким к разложению под действием электролита и других веществ в ячейке и достаточно прочным механически, чтобы сопротивляться износу.Обычные литий-ионные сепараторы, как правило, имеют высокую пористость и состоят из листов полиэтилена (ПЭ) или полипропилена (ПП).

электролит

Роль электролита в литий-ионном элементе заключается в обеспечении среды, через которую ионы лития могут свободно течь между катодом и анодом во время циклов заряда и разряда.Идея состоит в том, чтобы выбрать среду, которая одновременно является хорошим проводником Li+ и электронным изолятором.Электролит должен быть термически стабильным и химически совместимым с другими компонентами элемента.Как правило, соли лития, такие как LiClO4, LiBF4 или LiPF6, взвешенные в органическом растворителе, таком как диэтилкарбонат, этиленкарбонат или диметилкарбонат, служат электролитом для обычных литий-ионных конструкций.

Межфазная фаза твердого электролита (SEI)

Важной концепцией проектирования литий-ионных элементов для понимания является межфазная фаза твердого электролита (SEI) — пассивирующая пленка, которая образуется на границе между электродом и электролитом по мере того, как ионы Li+ реагируют с продуктами разложения электролита.Пленка образуется на отрицательном электроде во время начальной зарядки элемента.SEI защищает электролит от дальнейшего разложения при последующих зарядах элемента.Потеря этого пассивирующего слоя может отрицательно сказаться на сроке службы, электрических характеристиках, емкости и общем сроке службы элемента.С другой стороны, производители обнаружили, что они могут улучшить производительность батареи путем точной настройки SEI.

Знакомьтесь с семейством литий-ионных аккумуляторов

Привлекательность лития как идеального электродного материала для батарей привела к созданию многих видов литий-ионных батарей.Вот пять наиболее распространенных аккумуляторов, имеющихся на рынке.

Оксид лития-кобальта

Мы уже подробно рассмотрели батареи LiCoO2 в этой статье, потому что они представляют собой наиболее популярный химический состав для портативной электроники, такой как мобильные телефоны, ноутбуки и электронные камеры.LiCoO2 обязан своим успехом высокой удельной энергии.Короткий срок службы, плохая термическая стабильность и цена кобальта вынуждают производителей переходить на конструкции смешанного катода.

Оксид лития-марганца

В литий-оксидно-марганцевых батареях (LiMn2O4) используются катоды на основе MnO2.По сравнению со стандартными батареями LiCoO2, батареи LiMn2O4 менее токсичны, дешевле и безопаснее в использовании, но с меньшей емкостью.В то время как перезаряжаемые конструкции были исследованы в прошлом, сегодняшняя промышленность обычно использует этот химический состав для первичных (одноцикловых) элементов, которые не подлежат перезарядке и предназначены для утилизации после использования.Прочность, высокая термическая стабильность и длительный срок хранения делают их идеальными для электроинструментов или медицинских устройств.

литий никель марганец оксид кобальта

Иногда целое больше, чем сумма его частей, и литий-никель-марганцево-кобальтовые оксидные батареи (также известные как батареи NCM) обладают более высокими электрическими характеристиками, чем LiCoO2.Сила NCM заключается в том, чтобы сбалансировать плюсы и минусы отдельных катодных материалов.Одна из самых успешных литий-ионных систем на рынке, NCM широко используется в силовых агрегатах, таких как электроинструменты и электровелосипеды.

литий-железо-фосфат

Литий-железо-фосфатные (LiFePO4) батареи обеспечивают длительный срок службы и высокий номинальный ток с хорошей термической стабильностью с помощью наноструктурированного фосфатного катодного материала.Несмотря на эти улучшения, он не такой энергоемкий, как кобальтовые технологии, и имеет самый высокий уровень саморазряда среди других аккумуляторов в этом списке.Аккумуляторы LiFePO4 популярны как альтернатива свинцово-кислотным автомобильным стартерным аккумуляторам.

Литий титанат

Замена графитового анода нанокристаллами титаната лития значительно увеличивает площадь поверхности анода примерно до 100 м2 на грамм.Наноструктурированный анод увеличивает количество электронов, которые могут проходить через цепь, давая ячейкам титаната лития возможность безопасно заряжать и разряжать со скоростью более 10°C (в десять раз больше номинальной емкости).Компромиссом за самый быстрый цикл зарядки и разрядки литий-ионных батарей является относительно более низкое напряжение 2,4 В на элемент, элементы из титаната лития находятся в нижней части спектра плотности энергии литиевых батарей, но все же выше, чем альтернативные химические вещества, такие как никелевые. кадмий.Несмотря на этот недостаток, общие электрические характеристики, высокая надежность, термическая стабильность и сверхдлительный срок службы означают, что батарея по-прежнему используется в электромобилях.

Будущее литий-ионных аккумуляторов

Компании и правительства во всем мире активно стремятся к дальнейшим исследованиям и разработкам в области литий-ионных и других аккумуляторных технологий, чтобы удовлетворить растущий спрос на чистую энергию и сократить выбросы углерода.По своей природе прерывистые источники энергии, такие как солнечная энергия и ветер, могут значительно выиграть от высокой плотности энергии иона лития и длительного срока службы, что уже помогло этой технологии захватить рынок электромобилей.

Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, исследователи уже начали расширять границы существующих литий-ионных аккумуляторов новыми и интересными способами.Литий-полимерные (Li-Po) элементы заменяют опасные жидкие электролиты на основе солей лития более безопасными полимерными гелями и конструкциями полумокрых элементов для сопоставимых электрических характеристик с повышенной безопасностью и меньшим весом.Твердотельный литий — это новейшая технология, обещающая улучшение плотности энергии, безопасности, срока службы и общей долговечности благодаря стабильности твердого электролита.Трудно предсказать, какая технология выиграет гонку за окончательное решение для хранения энергии, но литий-ион, несомненно, продолжит играть важную роль в энергетике в ближайшие годы.

Поставщик решений для хранения энергии

Мы производим передовые продукты, сочетая точное машиностроение с обширным практическим опытом, чтобы помочь клиентам интегрировать решения по хранению энергии в свои продукты.BSLBATT Engineered Technologies обладает проверенными технологиями и опытом интеграции, которые помогут вам перейти от концепции к коммерциализации ваших приложений.

Чтобы узнать больше, см. запись в нашем блоге на литиевая батарея для хранения .