Čo je batériový článok?
Bunková štruktúra
Jedna batéria, známa aj ako „článok“, je najmenšou jednotkou batériového systému. Skladá sa hlavne z katódy (katódová elektróda), anódy (anódovej elektródy), elektrolytu (elektrolytu), separátora (separátor) a puzdra (puzdro), ako je znázornené na obrázku 7-1.
Elektródový plát lítium{0}}iónového článku možno kategorizovať ako kompozitný materiál, ktorý pozostáva najmä zo štyroch častí:
1) Častice aktívneho materiálu, ktoré interkalujú alebo deinterkalujú lítne ióny; katódové častice poskytujú zdroj lítia, zatiaľ čo častice anódy prijímajú ióny lítia.
2) vodivá fáza (fáza uhlíkového gélu) tvorená zmesou vodivého činidla a zberača prúdu, pričom spojivo plní funkciu spájania; povlak vedie elektróny cez zberač prúdu a vodivé činidlo.
3)Póry naplnené elektrolytom, ktoré slúžia ako kanály na transport lítium-iónov v elektródovom pláte.
4) Zberač prúdu.
Počas elektrochemického procesu zahŕňa poťahovanie elektród hlavne tieto 4 procesy:
1) Elektrónový transport.
2) Transport iónov.
3) Výmena náboja na rozhraní častice elektrolyt/elektróda, tj elektrochemická reakcia.
4) Difúzia lítiových iónov v pevnej fáze. V mikroštruktúre elektródového plátu ovplyvňuje veľkosť a distribúcia častíc dráhu difúzie lítium-iónu a špecifický povrch elektrochemickej reakcie; veľkosť a distribúcia pórov ovplyvňujú transportný proces elektrolytu; pórovitosť ovplyvňuje množstvo aktívneho materiálu a špecifický povrch elektrochemickej reakcie. Všetky tieto mikroštrukturálne charakteristiky v konečnom dôsledku ovplyvňujú výkon batérie.
Štruktúra katódy
Katóda článku sa skladá hlavne z katódových materiálov, ako je LiCoO₂, vodivé činidlo, spojivo (PVDF) a zberač prúdu (hliníková fólia), ako je znázornené na obrázku 7-2.
V prípade lítium{0}}iónových batérií je zberačom katódového prúdu zvyčajne hliníková fólia a zberačom anódového prúdu jemedená fólia. Aby sa zabezpečila stabilita zberača prúdu vo vnútri batérie, musí byť čistota oboch vyššia ako 98 %. Dôvody, prečo lítium{3}}iónové batérie používajú hliníkovú fóliu na katódu a medenú fóliu na anódu, sú nasledujúce 3 body:
1) Meď a hliník majú dobrú elektrickú vodivosť, mäkkú textúru a nízku cenu. Princíp fungovania lítium-iónovej batérie je elektrochemické zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu na elektrickú energiu. V tomto procese je potrebné médium na prenos chemickej energie na elektrickú energiu, čo si vyžaduje vodivý materiál. Spomedzi bežných materiálov majú najlepšiu elektrickú vodivosť kovy a spomedzi kovov ponúka výbornú vodivosť a relatívne nízku cenu meď a hliník vo forme medenej fólie a hliníkovej fólie. Lítium-iónové batérie používajú najmä dve metódy spracovania: navíjanie a stohovanie. V porovnaní so stohovaním vyžaduje navíjanie elektródových plátov použitých na prípravu batérie určitú flexibilitu, aby sa zabezpečilo, že elektródové pláty počas navíjania neskrehnú alebo sa nezlomia. Spomedzi kovových materiálov sú medené a hliníkové fólie mäkké, relatívne tvrdé medené/hliníkové fólie sú drahé, medené a hliníkové fólie sú relatívne lacné a zdroje medi a hliníka sú celosvetovo bohaté.
2) Medené a hliníkové fólie sú tiež relatívne stabilné na vzduchu. Hliník ľahko chemicky reaguje s kyslíkom vo vzduchu a vytvára na povrchu hustý oxidový film, ktorý zabraňuje ďalšej reakcii hliníka. Tento oxidový film medi/hliníka tiež poskytuje určitý ochranný účinok na hliník v elektrolyte. Meď samotná je relatívne stabilná na vzduchu a v zásade nepodlieha chemickým reakciám v suchom vzduchu.
3) Katódový a anódový potenciál lítium-iónových batérií určuje, že na katóde sa používa hliníková fólia a na anóde sa používa medená fólia a nemožno ich obrátiť. Katódový potenciál je vysoký a medená fólia sa ľahko oxiduje pri vysokom potenciáli, zatiaľ čo hliník má vysoký oxidačný potenciál a hustý oxidový film na svojej povrchovej vrstve, ktorý tiež poskytuje dobrú ochranu vnútornému hliníku.
V kryštálovej mriežke kovového hliníka majú meď a hliník veľkosti podobné Li a môžu ľahko vytvárať intermetalické zlúčeniny s Li, ako je LiAl. Li a Al môžu tvoriť nielen zliatinu s chemickým vzorcom LiAl, ale môžu tiež tvoriť vrstvy zliatiny Li9Al4, Li3Al2, Li5Al a Li2Al. Tieto zliatinové vrstvy spotrebúvajú veľké množstvo Li a poškodzujú štruktúru a morfológiu samotného Al, takže ho nemožno použiť ako zberač anódového prúdu lítium-iónových batérií; zatiaľ čo Cu sa počas nabíjania batérie-vybíja len veľmi málo a zachováva si štrukturálnu a elektrochemickú stabilitu, vďaka čomu je vhodný ako zberač anódového prúdu pre lítium-iónové batérie. Pre medenú fóliu pri 3,5 V sa polarizačný prúd začne výrazne zvyšovať a lineárne stúpa so zosilnenou oxidáciou, čo naznačuje, že sa v batérii začína rozpúšťať aj Cu; zatiaľ čo pre hliníkovú fóliu v celom rozsahu polarizačného potenciálu je polarizačný prúd malý a stabilný, pričom nie sú pozorované žiadne zjavné korózne javy, pričom sa zachováva elektrochemická stabilita. Keďže množstvo rozpúšťania Al v rozsahu katódového potenciálu lítium-iónových batérií je extrémne malé a možno zachovať elektrochemickú stabilitu, je vhodný ako zberač katódového prúdu pre lítium-iónové batérie.
Vrstva oxidu na povrchoch medi/hliníka patrí k polovodičom a vedie elektróny; ak je vrstva oxidu príliš hrubá, impedancia je veľká; zatiaľ čo vrstva oxidu hlinitého na hliníkovom povrchu je izolant a nemôže viesť elektrinu, ale pretože je veľmi tenká, je elektrónová vodivosť dosiahnutá tunelovým efektom; ak je vrstva oxidu hrubá, vodivosť medenej/hliníkovej fólie je slabá alebo dokonca izolačná. Vo všeobecnosti je potrebné medenú/hliníkovú fóliu pred použitím očistiť od vrstvy oxidu, aby sa odstránil olej na jednej strane a hrubé vrstvy oxidu na strane druhej. Katódový potenciál je vysoký a vrstva oxidu hlinitého je veľmi hustá, čo môže zabrániť oxidácii kolektora prúdu. Oxidové vrstvy medi/niklu atď. sú relatívne voľné, ľahko zabraňujú zberu prúdu a poskytujú lepší výkon batérie. Anódový potenciál lítium{5}}iónových batérií je zároveň nízky a meď/nikel bude podliehať oxidačným reakciám, pričom na povrchu medi/niklu budú prebiehať oxidačné/meď/de{6}}iačné reakcie, zatiaľ čo hliník podlieha zliatine LiAl s vysokým potenciálom.
Zberač prúdu vyžaduje čisté zloženie. Nečistoty v Al spôsobia, že povrchový film bude menej hustý a spôsobí jamkovú koróziu, a čo je ešte závažnejšie, deštrukcia povrchového filmu vedie k vytvoreniu zliatiny LiAl.
Zberač prúdu vyžaduje čisté zloženie. Nečistoty v Al spôsobia, že povrchový film bude menej hustý, čo vedie k bodovej korózii a čo je ešte horšie, deštrukcia povrchového filmu vedie k vytvoreniu zliatiny LiAl.
V prípade lítium{0}}iónových batérií sa katódová hliníková fólia zmenšila zo 16 μm na 14 μm, potom na 12 μm a teraz sa už sériovo vyrába 10 μm hliníková fólia, pričom niektoré dokonca používajú 8 μm. pre anódovú medenú fóliu sa vďaka jej prirodzene lepšej flexibilite jej hrúbka zmenšila z predchádzajúcich 12 μm na 10 μm, potom na 8 μm a v súčasnosti sa veľká časť batérií hromadne vyrába- s použitím 6 μm, zatiaľ čo niektorí výrobcovia vyvíjajú 5 μm/4 μm, ktoré sú tiež potenciálne použiteľné. Keďže lítium{14}}iónové batérie majú vysoké požiadavky na čistotu použitej medenej fólie, hustota materiálu je v podstate na rovnakej úrovni. S klesajúcou hrúbkou vo vývoji sa zodpovedajúcim spôsobom znižuje aj plošná hustota a hmotnosť batérie sa prirodzene stáva ľahšou a ľahšou, čo uspokojuje dopyt po lítium{16}}iónových batériách.
V prípade zberačov prúdu okrem toho, že ich hrúbka a hmotnosť ovplyvňujú lítium-iónové batérie, majú na výrobu a výkon batérie významný vplyv aj vlastnosti povrchu zberača prúdu. Najmä pre anódový zberač prúdu sú kvôli chybám v technológii prípravy medené fólie na trhu prevažne jednostranne zdrsnené, obojstranne zdrsnené, obojstranne zdrsnené a obojstranne zdrsnené -. Táto asymetrická obojstranná-štruktúra povedie k asymetrickému prechodovému odporu anódového povlaku na oboch stranách, čím sa zabráni rovnomernému uvoľneniu anódovej kapacity na oboch stranách; asymetria na oboch stranách zároveň spôsobí nekonzistentnú priľnavosť anódového povlaku, čo má za následok značne nevyváženú dobu cyklu nabíjania{7}}vybíjania anódového povlaku na oboch stranách, čo zase urýchľuje úbytok kapacity batérie.
Katódová formulácia jedného článku je kľúčovou jadrovou technológiou článku. Nižšie je uvedený príklad:
1) LiCo02 (10 um): 96,0 %.
2) Vodivé činidlo (Carbon ECP): 2,0 %.
3) Spojivo (PVDF 761): 2,0 %.
4) Promótor adhézie (NMP): Hmotnostný pomer pevných látok je približne 810:1496.
Opatrenia týkajúce sa zloženia katódy:
1) Kontrola viskozity katódovej suspenzie pri 6000 cP (1 cP=1 mPa · s) (teplota 25 stupňov).
2) Hmotnosť NMP musí byť primerane upravená tak, aby spĺňala požiadavku na viskozitu.
3) Venujte zvláštnu pozornosť vplyvu teploty a vlhkosti na viskozitu.
Materiál katódy oxid lítny kobaltnatý: Aktívny materiál katódy, zdroj lítium-iónových iónov, poskytuje zdroj lítia pre batériu. Nepolárna látka, nepravidelný tvar, veľkosť častíc D50 všeobecne 6 – 8 μm, obsah vlhkosti menší alebo rovný 0,2 %, zvyčajne alkalický, pH 10 – 11.
Materiál katódy oxid lítno-mangánový: nepolárna látka, nepravidelný tvar, veľkosť častíc D50 všeobecne 5 – 7 μm, obsah vlhkosti menší alebo rovný 0,2 %, zvyčajne slabo alkalický, pH okolo 8.
Vodivé činidlo: Reťazcová-látka, obsah vlhkosti<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.
Spojivo (PVDF): nepolárna látka, reťazová-, molekulová hmotnosť v rozsahu od 3 000 00 do 3 000 000; molekulová hmotnosť klesá po absorpcii vody, čo má za následok horšiu priľnavosť. Používa sa na spojenie oxidu lítno-kobaltového, vodivého činidla a hliníkovej fólie alebo hliníkovej sieťky spolu. Promótor priľnavosti (NMP): Slabo polárna kvapalina, používaná na rozpustenie/napučiavanie PVDF a súčasné riedenie kaše.
Prúdový kolektor (katódový jazýček): Vyrobený z hliníkovej fólie alebo hliníkového pásu.
Anódová štruktúra
Štruktúra anódy článku pozostáva z grafitového materiálu, vodivého činidla, zahusťovadla (CMC), spojiva (SBR) a zberača prúdu (medenej fólie), ako je znázornené na obrázku 7-3.
Anódová formulácia jedného článku je tiež jednou z kľúčových základných technológií článku, typicky takto:
1) Materiál anódy (grafit): 94,5 %.
2) Vodivé činidlo (Carbon ECP): 1,0 % (Ketjenblack).
3)Spojivo (styrén-butadiénový kaučukový latex, SBR): 2,25 %.
4) Zahusťovadlo (karboxymetylcelulóza, CMC): 2,25 %.
5)Voda: Hmotnostný pomer tuhých látok je 1600:1417,5.
Opatrenia týkajúce sa zloženia anódy:
1) Kontrola viskozity anódovej kaše pri 5000-6000 cP (teplota 25 stupňov).
2) Hmotnosť vody je potrebné vhodne upraviť tak, aby vyhovovala požiadavkám na viskozitu.
3) Venujte zvláštnu pozornosť vplyvu teploty a vlhkosti na viskozitu.
Grafit: Aktívny materiál anódy, hlavná látka tvoriaca anódovú reakciu, hlavne rozdelená do dvoch hlavných kategórií: prírodný grafit a umelý grafit. Nepolárna látka, ľahko kontaminovaná -nepolárnymi látkami, ľahko rozptýlená v nepolárnych látkach; nie je ľahké absorbovať vodu, ani sa ľahko rozptýliť vo vode. Kontaminovaný grafit má po rozptýlení vo vode tendenciu k re{5}}aglomerácii. Všeobecná veľkosť častíc D50 je približne 20 μm. Tvary častíc sú rôznorodé a väčšinou nepravidelné, hlavne guľovité, vločkovité, vláknité atď.
Funkcie vodivého činidla:
1) Zlepšite vodivosť anódového listu a kompenzujte elektronickú vodivosť aktívneho materiálu anódy.
2) Zvýšte hĺbku reakcie a rýchlosť využitia.
3) Zabráňte tvorbe dendritov.
4) Využite schopnosť vodivých materiálov absorbovať kvapalinu{1} na zvýšenie reakčného rozhrania a zníženie polarizácie (môže byť pridané alebo nie podľa distribúcie veľkosti častíc grafitu).
Prísady: Znižujú ireverzibilné reakcie, zvyšujú pevnosť spoja a viskozitu kalu a zabraňujú sedimentácii kalu.
Zahusťovadlo/proti{0}}usadzovacie činidlo (CMC): Vysokomolekulárna zlúčenina, ľahko rozpustná vo vode a polárnych rozpúšťadlách.
Izopropanol: slabo polárna látka; po pridaní môže znížiť polaritu roztoku spojiva, zlepšiť kompatibilitu medzi grafitom a roztokom spojiva; má silný odpeňovací účinok; ľahko katalyzuje krížové{0}}prepojenie siete spojív a zlepšuje pevnosť spoja.
Etanol: slabo polárna látka; po pridaní môže znížiť polaritu roztoku spojiva, zlepšiť kompatibilitu medzi grafitom a roztokom spojiva; má silný odpeňovací účinok; ľahko katalyzuje lineárne zosieťovanie- spojiva a zlepšuje pevnosť spoja (funkcie izopropanolu a etanolu sú v podstate rovnaké; pri hromadnej{1}}výrobe možno pri výbere toho, ktorý z nich pridať, zvážiť nákladové faktory).
Spojivo na{0}}vodnej báze (SBR): Spojuje grafit, vodivé činidlo, prísady a medenú fóliu alebo medenú sieťovinu; molekula emulzie s lineárnym reťazcom, extrémne rozpustná vo vode a polárnych rozpúšťadlách.
Deionizovaná voda (alebo destilovaná voda): Riedidlo, pridané vo vhodnom množstve, môže zmeniť tekutosť kalu.
Anódový jazýček: Vyrobený z medenej fólie alebo medeného pásika.
