Lithium batteri oversigt | BSLBATT Vedvarende Energi

BSLBATT Engineered Technologies bruger vores erfarne ingeniør-, design-, kvalitets- og fremstillingsteams, så vores kunder kan være sikre på teknisk avancerede batteriløsninger, der opfylder de unikke krav til deres specifikke applikationer. Vi specialiserer os i genopladelige og ikke-genopladelige lithiumcelle- og batteripakkedesign som arbejder med en række forskellige lithiumcelle-kemier for at tilbyde muligheder og løsninger til krævende applikationer verden over.

Lithium batteripakke teknologier

Vores brede produktionskapacitet gør det muligt for os at bygge de mest basale batteripakker, til brugerdefinerede pakker med specialiserede kredsløb, stik og huse. Fra lav til høj volumen har vi kapaciteten og brancheekspertisen til at opfylde de unikke behov hos alle OEM'er, da vores erfarne ingeniørteam kan designe, udvikle, teste og fremstille specialtilpassede batteriløsninger til de specifikke behov i de fleste applikationer.

BSLBATT tilbyder nøglefærdige løsninger baseret på kundens krav og specifikationer. Vi samarbejder med de brancheførende celleproducenter for at levere de optimale løsninger, og vi udvikler og integrerer den mest sofistikerede kontrol- og overvågningselektronik i deres batteripakker.

Hvordan virker et lithium-ion-batteri?

Lithium-ion-batterier udnytter det stærke reducerende potentiale af lithium-ioner til at drive redoxreaktionen, der er central for alle batteriteknologier - reduktion ved katoden, oxidation ved anoden. Forbindelse af de positive og negative terminaler af et batteri gennem et kredsløb, forener de to halvdele af redoxreaktionen, hvilket gør det muligt for enheden, der er knyttet til kredsløbet, at udtrække energi fra elektronernes bevægelse.

Mens der er mange forskellige typer lithium-baserede kemier, der bruges i industrien i dag, vil vi bruge lithium-koboltoxid (LiCoO2) - kemien, der gjorde det muligt for lithium-ion-batterier at erstatte de nikkel-cadmium-batterier, der havde været normen for forbrugerne elektronik op til 90'erne - for at demonstrere den grundlæggende kemi bag denne populære teknologi.

Den fulde reaktion for en LiCoO2-katode og en grafitanode er som følger:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Hvor den fremadrettede reaktion repræsenterer opladning, og den omvendte reaktion repræsenterer afladning. Dette kan opdeles i følgende halvreaktioner:

Ved den positive elektrode sker der reduktion ved katoden under afladning (se omvendt reaktion).

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

Ved den negative elektrode sker der oxidation ved anoden under afladning (se omvendt reaktion).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Under afladning bevæger lithiumioner (Li+) sig fra den negative elektrode (grafit) gennem elektrolytten (lithiumsalte suspenderet i en opløsning) og separatoren til den positive elektrode (LiCoO2). Samtidig bevæger elektroner sig fra anoden (grafitten) til katoden (LiCoO2), som er forbundet via et eksternt kredsløb. Hvis en ekstern strømkilde anvendes, vendes reaktionen sammen med de respektive elektroders roller, hvilket oplader cellen.

Hvad er der i et lithium-ion-batteri

Din typiske cylindriske 18650 celle, som er den almindelige formfaktor, der bruges af industrien til kommercielle applikationer fra bærbare computere til elektriske køretøjer, har en OCV (open circuit voltage) på 3,7 volt. Afhængigt af producenten kan den levere omkring 20 ampere med en kapacitet på 3000mAh eller mere. Batteripakken vil være sammensat af flere celler og omfatter generelt en beskyttende mikrochip for at forhindre overopladning og afladning under minimumskapaciteten, hvilket både kan føre til overophedning, brande og eksplosioner. Lad os se nærmere på det indre af en celle.

Positiv elektrode/katode

Nøglen til at designe en positiv elektrode er at vælge et materiale, der har et elektropotentiale større end 2,25V sammenlignet med rene lithiummetaller. Katodematerialer i lithium-ion varierer meget, men de har generelt lagdelte lithium-overgangsmetaloxider, ligesom LiCoO2-katodedesignet, vi undersøgte tidligere. Andre materialer omfatter spineller (dvs. LiMn2O4) og oliviner (dvs. LiFePO4).

Negativ elektrode/anode

I et ideelt lithiumbatteri ville du bruge rent lithiummetal som en anode, fordi det giver den optimale kombination af lav molekylvægt og høj specifik kapacitet, der er mulig for et batteri. Der er to hovedproblemer, der forhindrer lithium i at blive brugt som anode i kommercielle applikationer: sikkerhed og reversibilitet. Lithium er meget reaktivt og udsat for katastrofale fejltilstande af den pyrotekniske slags. Også under opladning vil lithium ikke plade tilbage til sin oprindelige ensartede metalliske tilstand, i stedet for at vedtage en nållignende morfologi kendt som en dendrit. Dendritdannelse kan føre til punkterede separatorer, som kan føre til kortslutninger.

Løsningen forskerne udtænkte for at udnytte fordelene ved lithiummetal uden alle ulemperne var lithiuminterkalering - processen med at lægge lithiumioner i lag i carbongrafit eller et andet materiale for at tillade let flytning af lithiumioner fra en elektrode til en anden. Andre mekanismer involverer brug af anodematerialer med lithium, der gør reversible reaktioner mere mulige. Typiske anodematerialer omfatter grafit, siliciumbaserede legeringer, tin og titanium.

Separator

Separatorens rolle er at tilvejebringe et lag af elektrisk isolering mellem de negative og positive elektroder, mens den stadig tillader ioner at rejse gennem den under opladning og afladning. Det skal også være kemisk modstandsdygtigt over for nedbrydning af elektrolytten og andre arter i cellen og mekanisk stærkt nok til at modstå slitage. Almindelige lithium-ion separatorer er generelt meget porøse i naturen og består af polyethylen (PE) eller polypropylen (PP) plader.

Elektrolyt

Rollen af ​​en elektrolyt i en lithium-ion-celle er at tilvejebringe et medium, gennem hvilket lithium-ioner frit kan strømme mellem katoden og anoden under opladnings- og afladningscyklusser. Idéen er at vælge et medium, der både er en god Li+-leder og en elektronisk isolator. Elektrolytten skal være termisk stabil og kemisk kompatibel med de andre komponenter i cellen. Generelt tjener lithiumsalte som LiClO4, LiBF4 eller LiPF6 suspenderet i et organisk opløsningsmiddel som diethylcarbonat, ethylencarbonat eller dimethylcarbonat som elektrolytten til konventionelle lithium-ion-designs.

Solid Electrolyte Interphase (SEI)

Et vigtigt designkoncept at forstå om lithium-ion-celler er den faste elektrolyt-interfase (SEI) - en passiveringsfilm, der opbygges ved grænsefladen mellem elektroden og elektrolytten, når Li+-ioner reagerer med nedbrydningsprodukter fra elektrolytten. Filmen dannes på den negative elektrode under den indledende ladning af cellen. SEI beskytter elektrolytten mod yderligere nedbrydning under efterfølgende opladninger af cellen. Tab af dette passiverende lag kan have en negativ indvirkning på cykluslevetid, elektrisk ydeevne, kapacitet og en celles samlede levetid. På bagsiden har producenter fundet ud af, at de kan forbedre batteriets ydeevne ved at finjustere SEI.

Mød Lithium-Ion-batterifamilien

Tiltrækningen ved lithium som et ideelt elektrodemateriale til batterianvendelser har ført til mange slags lithium-ion-batterier. Her er fem af de mest almindelige kommercielt tilgængelige batterier på markedet.

Lithium Cobalt Oxide

Vi har allerede dækket LiCoO2-batterier i dybden i denne artikel, fordi det repræsenterer den mest populære kemi for bærbar elektronik som mobiltelefoner, bærbare computere og elektroniske kameraer. LiCoO2 skylder sin succes til sin høje specifikke energi. En kort levetid, dårlig termisk stabilitet og prisen på kobolt får producenterne til at skifte til blandede katodedesigns.

Lithium manganoxid

Lithium-manganoxid-batterier (LiMn2O4) bruger MnO2-baserede katoder. Sammenlignet med standard LiCoO2-batterier er LiMn2O4-batterier mindre giftige, koster mindre og er sikrere at bruge, men med reduceret kapacitet. Mens genopladelige designs er blevet udforsket tidligere, bruger nutidens industri typisk denne kemi til primære (enkeltcyklus) celler, som er ikke-genopladelige og beregnet til at blive bortskaffet efter brug. Holdbar, høj termisk stabilitet og lang holdbarhed gør dem velegnede til elværktøj eller medicinsk udstyr.

Lithium Nikkel Mangan Cobalt Oxide

Nogle gange er helheden større end summen af ​​dets dele, og lithium-nikkel-mangan-koboltoxid-batterier (også kendt som NCM-batterier) kan prale af større elektrisk ydeevne end LiCoO2. NCM vinder sin styrke i at balancere fordele og ulemper ved sine individuelle katodematerialer. Et af de mest succesrige lithium-ion-systemer på markedet, NCM er meget udbredt i drivlinjer som elværktøj og e-cykler.

Lithium jernfosfat

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) batterier opnår en lang levetid og høj strømstyrke med god termisk stabilitet ved hjælp af nanostruktureret fosfat katodemateriale. På trods af disse forbedringer er den ikke så energitæt som koboltblandede teknologier, og den har den højeste selvafladningshastighed af de andre batterier på denne liste. LiFePO4-batterier er populære som et alternativ til bly-syre som startbatteri til bil.

Lithium Titanat

Udskiftning af grafitanoden med lithiumtitanat-nanokrystaller øger anodens overfladeareal kraftigt til omkring 100 m2 pr. gram. Den nanostrukturerede anode øger antallet af elektroner, der kan strømme gennem kredsløbet, hvilket giver lithiumtitanatceller evnen til sikkert at oplades og aflades ved hastigheder, der er større end 10C (ti gange dens nominelle kapacitet). Afvejningen for at have den hurtigste opladnings- og afladningscyklus af lithium-ion-batterier er en relativt lavere spænding på 2,4V pr. celle, lithiumtitanatceller i den nedre ende af energitæthedsspektret af lithiumbatterier, men stadig højere end alternative kemier som nikkel- cadmium. På trods af denne ulempe betyder den overordnede elektriske ydeevne, høj pålidelighed, termisk stabilitet og en ekstra lang levetid, at batteriet stadig kan bruges i elektriske køretøjer.

Fremtiden for lithium-ion-batterier

Der er et stort skub fra virksomheder og regeringer over hele kloden til at forfølge yderligere forskning og udvikling af lithium-ion og andre batteriteknologier for at imødekomme den voksende efterspørgsel efter ren energi og reducerede kulstofemissioner. Iboende intermitterende energikilder som sol og vind kunne drage stor gavn af lithium-ions høje energitæthed og lange cykluslevetid, som allerede har hjulpet teknologien til at skabe et hjørne af elbilmarkedet.

For at imødekomme denne voksende efterspørgsel er forskere allerede begyndt at skubbe grænserne for eksisterende lithium-ion på nye og spændende måder. Lithiumpolymer (Li-Po)-celler erstatter de farlige flydende lithiumsaltbaserede elektrolytter med sikrere polymergeler og semi-våde celledesign for sammenlignelig elektrisk ydeevne med forbedret sikkerhed og lettere vægt. Solid-state lithium er den nyeste teknologi på blokken, der lover forbedringer i energitæthed, sikkerhed, cykluslevetid og overordnet levetid med stabiliteten af ​​en fast elektrolyt. Det er svært at forudsige, hvilken teknologi der vil vinde kapløbet om den ultimative energilagringsløsning, men lithium-ion vil helt sikkert fortsætte med at spille en stor rolle i energiøkonomien i de kommende år.

Leverandør af energilagringsløsninger

Vi fremstiller banebrydende produkter, der kombinerer præcisionsteknik med omfattende applikationsekspertise for at hjælpe kunder med at integrere energilagringsløsninger i deres produkter. BSLBATT Engineered Technologies har den dokumenterede teknologi og integrationsekspertise til at bringe dine applikationer fra idé til kommercialisering.

For at lære mere, se vores blogindlæg om lithium batteri opbevaring .