Огляд літієвої батареї |BSLBATT Відновлювані джерела енергії

BSLBATT Engineered Technologies використовує наші досвідчені команди проектування, проектування, якості та виробництва, щоб наші клієнти могли бути впевнені в технічно передових рішеннях для акумуляторів, які відповідають унікальним вимогам їхніх конкретних застосувань.Ми спеціалізуємося на перезаряджуваних і неперезаряджуваних літієвих елементах і акумуляторних батареях, оскільки працюємо з різноманітними хімікатами літієвих елементів, щоб пропонувати варіанти та рішення для вимогливих застосувань у всьому світі.

Літієва батарея Технології

Наші широкі виробничі можливості дозволяють створювати найпростіші акумуляторні блоки, а також комплекти на замовлення зі спеціалізованими схемами, роз’ємами та корпусами.Від малих до великих обсягів ми маємо можливості та галузеві знання, щоб задовольнити унікальні потреби всіх виробників комплектного обладнання, оскільки наша досвідчена команда інженерів може проектувати, розробляти, тестувати та виготовляти індивідуальні акумуляторні рішення для конкретних потреб більшості застосувань.

BSLBATT пропонує готові рішення на основі вимог і специфікацій клієнтів.Ми співпрацюємо з провідними в галузі виробниками елементів живлення, щоб надати оптимальні рішення, а також розробляємо та інтегруємо найдосконалішу електроніку керування та моніторингу в акумуляторні блоки.

Як працює літій-іонний акумулятор?

Літій-іонні батареї використовують потужний відновний потенціал іонів літію для забезпечення окисно-відновної реакції, яка є центральною для всіх технологій акумуляторів — відновлення на катоді, окислення на аноді.З’єднання позитивного та негативного полюсів батареї через ланцюг об’єднує дві половини окислювально-відновної реакції, дозволяючи пристрою, під’єднаному до ланцюга, отримувати енергію від руху електронів.

Хоча сьогодні в промисловості використовується багато різних типів хімікатів на основі літію, ми використовуватимемо оксид літію-кобальту (LiCoO2) — хімію, яка дозволила літій-іонним акумуляторам замінити нікель-кадмієві акумулятори, які були нормою для споживачів електроніки аж до 90-х — щоб продемонструвати базову хімію, що лежить в основі цієї популярної технології.

Повна реакція для катода LiCoO2 і графітового анода така:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Де пряма реакція представляє зарядку, а зворотна – розрядку.Це можна розбити на наступні напівреакції:

На позитивному електроді відновлення на катоді відбувається під час розряду (див. зворотна реакція).

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

На негативному електроді під час розряду відбувається окислення на аноді (див. зворотна реакція).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Під час розряду іони літію (Li+) рухаються від негативного електрода (графіту) через електроліт (солі літію, зважені в розчині) і сепаратор до позитивного електрода (LiCoO2).У той же час електрони рухаються від анода (графіт) до катода (LiCoO2), який підключений через зовнішню ланцюг.Якщо використовується зовнішнє джерело живлення, реакція змінюється разом із ролями відповідних електродів, які заряджають елемент.

Що входить до складу літій-іонного акумулятора

Ваш типовий циліндричний елемент 18650, який є поширеним форм-фактором, який використовується промисловістю для комерційних застосувань від ноутбуків до електромобілів, має OCV (напруга холостого ходу) 3,7 вольта.Залежно від виробника він може видавати близько 20 ампер з ємністю 3000 мАг або більше.Акумуляторна батарея складатиметься з кількох елементів і, як правило, включатиме захисну мікросхему для запобігання перезаряду та розряду нижче мінімальної ємності, що може призвести до перегріву, пожежі та вибуху.Розглянемо ближче внутрішні органи клітини.

Позитивний електрод/катод

Ключ до розробки позитивного електрода полягає в тому, щоб вибрати матеріал, який має електропотенціал більше ніж 2,25 В порівняно з чистими металевими літіями.Матеріали катодів у літій-іонних системах дуже різноманітні, але вони, як правило, містять шаруваті оксиди перехідних металів літію, як конструкція катода LiCoO2, яку ми досліджували раніше.Інші матеріали включають шпінелі (тобто LiMn2O4) і олівіни (тобто LiFePO4).

Негативний електрод/анод

В ідеальній літієвій батареї ви б використовували чистий металевий літій як анод, оскільки він забезпечує оптимальне поєднання низької молекулярної маси та високої питомої ємності, можливе для батареї.Існує дві основні проблеми, які перешкоджають використанню літію як анода в комерційних цілях: безпека та оборотність.Літій має високу реакційну здатність і схильний до катастрофічних піротехнічних відмов.Крім того, під час заряджання літій не повертається до початкового однорідного металевого стану, замість того, щоб приймати голчасту морфологію, відому як дендрит.Утворення дендритів може призвести до проколотих сепараторів, які можуть призвести до коротких замикань.

Рішення, яке дослідники винайшли, щоб використати переваги металевого літію без усіх недоліків, — інтеркаляція літію — процес нашарування іонів літію всередині вуглеграфіту або іншого матеріалу, щоб забезпечити легкий рух іонів літію від одного електрода до іншого.Інші механізми включають використання анодних матеріалів з літієм, що робить оборотні реакції більш можливими.Типові анодні матеріали включають графіт, сплави на основі кремнію, олово та титан.

Роздільник

Роль сепаратора полягає в тому, щоб забезпечити шар електричної ізоляції між негативним і позитивним електродами, дозволяючи іонам проходити через нього під час заряду та розряду.Він також повинен бути хімічно стійким до руйнування електролітом та іншими речовинами в комірці та достатньо механічно міцним, щоб протистояти зношуванню.Звичайні літій-іонні сепаратори, як правило, мають високу пористість і складаються з поліетиленових (PE) або поліпропіленових (PP) листів.

Електроліт

Роль електроліту в літій-іонному елементі полягає в тому, щоб забезпечити середовище, через яке іони літію можуть вільно протікати між катодом і анодом під час циклів заряду та розряду.Ідея полягає в тому, щоб вибрати середовище, яке є водночас хорошим Li+ провідником і електронним ізолятором.Електроліт повинен бути термічно стабільним і хімічно сумісним з іншими компонентами елемента.Як правило, солі літію, такі як LiClO4, LiBF4 або LiPF6, суспендовані в органічному розчиннику, такому як діетилкарбонат, етиленкарбонат або диметилкарбонат, служать електролітом для звичайних літій-іонних конструкцій.

Інтерфаза твердого електроліту (SEI)

Важливою концепцією конструкції літій-іонних елементів, яку слід розуміти, є міжфаза твердого електроліту (SEI) — пасиваційна плівка, яка утворюється на межі розділу між електродом і електролітом, коли іони Li+ реагують з продуктами розпаду електроліту.Плівка утворюється на негативному електроді під час початкового заряду елемента.SEI захищає електроліт від подальшого розкладання під час наступних зарядок елемента.Втрата цього пасивуючого шару може негативно вплинути на життєвий цикл, електричні характеристики, ємність і загальний термін служби елемента.З іншого боку, виробники виявили, що вони можуть покращити продуктивність батареї шляхом точного налаштування SEI.

Зустрічайте сімейство літій-іонних акумуляторів

Привабливість літію як ідеального електродного матеріалу для акумуляторних батарей призвела до багатьох типів літій-іонних акумуляторів.Ось п’ять найпоширеніших комерційно доступних батарей на ринку.

Літій-кобальт оксид

Ми вже детально розглядали батареї LiCoO2 у цій статті, оскільки це найпопулярніша хімія для портативної електроніки, як-от мобільних телефонів, ноутбуків та електронних камер.Своїм успіхом LiCoO2 завдячує високій питомій енергії.Короткий термін служби, низька термічна стабільність і ціна кобальту змушують виробників переходити на конструкції змішаних катодів.

Оксид марганцю літію

Літій-марганцево-оксидні батареї (LiMn2O4) використовують катоди на основі MnO2.Порівняно зі стандартними акумуляторами LiCoO2, акумулятори LiMn2O4 менш токсичні, дешевші та безпечніші у використанні, але мають меншу ємність.Хоча конструкції акумуляторів досліджувалися в минулому, сьогоднішня промисловість зазвичай використовує цю хімію для первинних (одноциклових) елементів, які не перезаряджаються та призначені для утилізації після використання.Міцність, висока термічна стабільність і тривалий термін придатності роблять їх чудовими для електроінструментів або медичних пристроїв.

Літій Нікель Марганець Оксид Кобальту

Іноді ціле є більшим, ніж сума його частин, і літій-нікель-марганцево-кобальт-оксидні батареї (також відомі як батареї NCM) мають кращі електричні характеристики, ніж LiCoO2.NCM набирає сили, збалансовуючи переваги та недоліки окремих катодних матеріалів.Одна з найуспішніших літій-іонних систем на ринку, NCM широко використовується в силових агрегатах, таких як електроінструменти та електровелосипеди.

Літій-залізофосфат

Літій-залізо-фосфатні (LiFePO4) батареї забезпечують тривалий термін служби та високий номінальний струм із хорошою термостабільністю за допомогою наноструктурованого фосфатного катодного матеріалу.Незважаючи на ці вдосконалення, він не такий енергоємний, як кобальтові змішані технології, і має найвищий рівень саморозряду серед інших батарей у цьому списку.Акумулятори LiFePO4 популярні як альтернатива свинцево-кислотним акумуляторам автомобіля.

Титанат літію

Заміна графітового анода нанокристалами титанату літію значно збільшує площу поверхні анода приблизно до 100 м2 на грам.Наноструктурований анод збільшує кількість електронів, які можуть проходити через ланцюг, надаючи елементам з титанату літію можливість безпечно заряджатися та розряджатися зі швидкістю понад 10C (у десять разів більше номінальної ємності).Компроміс для найшвидшого циклу заряджання та розряджання літій-іонних акумуляторів полягає в відносно нижчій напрузі 2,4 В на елемент, елементах з титанату літію на нижньому кінці спектра щільності енергії літієвих акумуляторів, але все ще вищому, ніж у альтернативних хімічних речовин, таких як нікель- кадмій.Незважаючи на цей недолік, загальні електричні характеристики, висока надійність, термічна стабільність і надзвичайно довгий термін служби означають, що батарея все ще може використовуватися в електромобілях.

Майбутнє літій-іонних батарей

Компанії та уряди в усьому світі активно спонукають до подальших досліджень і розробок літій-іонних та інших акумуляторних технологій, щоб задовольнити зростаючий попит на чисту енергію та зменшити викиди вуглецю.За своєю природою переривчасті джерела енергії, такі як сонце та вітер, можуть отримати значну користь від високої щільності енергії літій-іонів і тривалого терміну служби, що вже допомогло цій технології перетворитися на ринок електромобілів.

Щоб задовольнити цей зростаючий попит, дослідники вже почали розширювати межі існуючих літій-іонних батарей новими та цікавими способами.Літій-полімерні (Li-Po) елементи замінюють небезпечні рідкі електроліти на основі солі літію безпечнішими полімерними гелями та конструкціями напівмокрих елементів, що забезпечує порівнянну електричну продуктивність із покращеною безпекою та меншою вагою.Твердотільний літій — це найновіша технологія в блоці, яка обіцяє покращення щільності енергії, безпеки, тривалості циклу та загальної довговічності зі стабільністю твердого електроліту.Важко передбачити, яка технологія виграє гонку за найкраще рішення для зберігання енергії, але літій-іонні, безперечно, продовжуватимуть відігравати важливу роль в енергетичній економіці в найближчі роки.

Постачальник рішень для зберігання енергії

Ми виробляємо передову продукцію, поєднуючи точне машинобудування з обширним досвідом у сфері застосування, щоб допомогти клієнтам інтегрувати рішення для накопичення енергії у їхні продукти.BSLBATT Engineered Technologies володіє перевіреними технологіями та досвідом інтеграції, щоб перевести ваші програми від концепції до комерціалізації.

Щоб дізнатися більше, перегляньте допис у нашому блозі зберігання літієвої батареї .