Επισκόπηση μπαταρίας λιθίου |BSLBATT Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας

Η BSLBATT Engineered Technologies χρησιμοποιεί τις έμπειρες ομάδες Μηχανικής, Σχεδιασμού, Ποιότητας και Κατασκευής μας, έτσι ώστε οι πελάτες μας να μπορούν να είναι σίγουροι για προηγμένες τεχνικά λύσεις μπαταριών που πληρούν τις μοναδικές απαιτήσεις των συγκεκριμένων εφαρμογών τους.Ειδικευόμαστε στον σχεδιασμό επαναφορτιζόμενων και μη επαναφορτιζόμενων στοιχείων λιθίου και πακέτων μπαταριών καθώς συνεργαζόμαστε με μια ποικιλία χημικών στοιχείων λιθίου για να προσφέρουμε επιλογές και λύσεις για απαιτητικές εφαρμογές παγκοσμίως.

Πακέτο μπαταριών λιθίου τεχνολογίες

Οι ευρείες κατασκευαστικές μας δυνατότητες μάς επιτρέπουν να κατασκευάσουμε τα πιο βασικά πακέτα μπαταριών, σε προσαρμοσμένα πακέτα με εξειδικευμένα κυκλώματα, υποδοχές και περιβλήματα.Από χαμηλή έως υψηλή ένταση, έχουμε την ικανότητα και την τεχνογνωσία του κλάδου να ανταποκρινόμαστε στις μοναδικές ανάγκες όλων των OEM καθώς η έμπειρη ομάδα μηχανικών μας μπορεί να σχεδιάσει, να αναπτύξει, να δοκιμάσει και να κατασκευάσει προσαρμοσμένες λύσεις μπαταρίας για τις συγκεκριμένες ανάγκες των περισσότερων εφαρμογών.

Η BSLBATT προσφέρει λύσεις με το κλειδί στο χέρι με βάση τις απαιτήσεις και τις προδιαγραφές των πελατών.Συνεργαζόμαστε με τους κορυφαίους κατασκευαστές κυψελών του κλάδου για να παρέχουμε τις βέλτιστες λύσεις και αναπτύσσουμε και ενσωματώνουμε τα πιο εξελιγμένα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου και παρακολούθησης στα πακέτα μπαταριών του.

Πώς λειτουργεί μια μπαταρία ιόντων λιθίου;

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αξιοποιούν το ισχυρό αναγωγικό δυναμικό των ιόντων λιθίου για να τροφοδοτήσουν την αντίδραση οξειδοαναγωγής που είναι κεντρική σε όλες τις τεχνολογίες μπαταριών — μείωση στην κάθοδο, οξείδωση στην άνοδο.Η σύνδεση των θετικών και αρνητικών ακροδεκτών μιας μπαταρίας μέσω ενός κυκλώματος, ενώνει τα δύο μισά της αντίδρασης οξειδοαναγωγής, επιτρέποντας στη συσκευή που είναι συνδεδεμένη στο κύκλωμα να εξάγει ενέργεια από την κίνηση των ηλεκτρονίων.

Ενώ υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι χημικών ουσιών με βάση το λίθιο που χρησιμοποιούνται στη βιομηχανία σήμερα, θα χρησιμοποιήσουμε οξείδιο κοβαλτίου λιθίου (LiCoO2) - τη χημεία που επέτρεψε στις μπαταρίες ιόντων λιθίου να αντικαταστήσουν τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου που ήταν ο κανόνας για τους καταναλωτές ηλεκτρονικά μέχρι τη δεκαετία του '90 — για να δείξουμε τη βασική χημεία πίσω από αυτή τη δημοφιλή τεχνολογία.

Η πλήρης αντίδραση για μια κάθοδο LiCoO2 και μια άνοδο γραφίτη είναι η εξής:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Όπου η προς τα εμπρός αντίδραση αντιπροσωπεύει φόρτιση και η αντίστροφη αντίδραση αντιπροσωπεύει εκφόρτιση.Αυτό μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες ημι-αντιδράσεις:

Στο θετικό ηλεκτρόδιο, η μείωση στην κάθοδο συμβαίνει κατά την εκφόρτιση (βλέπε αντίστροφη αντίδραση).

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

Στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, η οξείδωση στην άνοδο λαμβάνει χώρα κατά την εκφόρτιση (βλ. αντίστροφη αντίδραση).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα λιθίου (Li+) μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο (γραφίτη) μέσω του ηλεκτρολύτη (άλατα λιθίου αιωρούμενα σε ένα διάλυμα) και του διαχωριστή προς το θετικό ηλεκτρόδιο (LiCoO2).Ταυτόχρονα, τα ηλεκτρόνια μετακινούνται από την άνοδο (γραφίτη) στην κάθοδο (LiCoO2) η οποία συνδέεται μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος.Εάν εφαρμοστεί εξωτερική πηγή ενέργειας, η αντίδραση αντιστρέφεται μαζί με τους ρόλους των αντίστοιχων ηλεκτροδίων, φορτίζοντας το στοιχείο.

Τι υπάρχει σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου

Το τυπικό κυλινδρικό στοιχείο 18650, το οποίο είναι ο κοινός παράγοντας μορφής που χρησιμοποιείται από τη βιομηχανία για εμπορικές εφαρμογές από φορητούς υπολογιστές έως ηλεκτρικά οχήματα, έχει OCV (τάση ανοιχτού κυκλώματος) 3,7 βολτ.Ανάλογα με τον κατασκευαστή μπορεί να αποδώσει περίπου 20 αμπέρ με χωρητικότητα 3000 mAh ή περισσότερο.Η μπαταρία θα αποτελείται από πολλαπλές κυψέλες και γενικά θα περιλαμβάνει ένα προστατευτικό μικροτσίπ για την αποφυγή υπερφόρτισης και εκφόρτισης κάτω από την ελάχιστη χωρητικότητα, η οποία μπορεί να οδηγήσει σε υπερθέρμανση, πυρκαγιές και εκρήξεις.Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα εσωτερικά ενός κυττάρου.

Θετικό Ηλεκτρόδιο/Κάθοδο

Το κλειδί για το σχεδιασμό ενός θετικού ηλεκτροδίου είναι να επιλέξετε ένα υλικό που έχει ηλεκτροδυναμικό μεγαλύτερο από 2,25 V σε σύγκριση με καθαρά μέταλλα λιθίου.Τα υλικά καθόδου σε ιόντα λιθίου ποικίλλουν πολύ, αλλά έχουν γενικά στρώματα οξείδια μετάλλων μετάπτωσης λιθίου, όπως το σχέδιο καθόδου LiCoO2 που εξερευνήσαμε νωρίτερα.Άλλα υλικά περιλαμβάνουν σπινέλη (π.χ. LiMn2O4) και ολιβίνες (π.χ. LiFePO4).

Αρνητικό ηλεκτρόδιο/άνοδος

Σε μια ιδανική μπαταρία λιθίου, θα χρησιμοποιούσατε καθαρό μέταλλο λιθίου ως άνοδο, επειδή παρέχει τον βέλτιστο συνδυασμό χαμηλού μοριακού βάρους και υψηλής ειδικής χωρητικότητας που είναι δυνατό για μια μπαταρία.Υπάρχουν δύο κύρια προβλήματα που εμποδίζουν τη χρήση του λιθίου ως άνοδος σε εμπορικές εφαρμογές: ασφάλεια και αναστρεψιμότητα.Το λίθιο είναι εξαιρετικά αντιδραστικό και επιρρεπές σε καταστροφικούς τρόπους αστοχίας του είδους της πυροτεχνίας.Επίσης κατά τη διάρκεια της φόρτισης, το λίθιο δεν θα επιστρέψει στην αρχική του ομοιόμορφη μεταλλική κατάσταση, αντί να υιοθετήσει μια μορφολογία που μοιάζει με βελόνα, γνωστή ως δενδρίτης.Ο σχηματισμός δενδρίτη μπορεί να οδηγήσει σε τρυπημένα διαχωριστικά που μπορεί να οδηγήσουν σε σορτς.

Η λύση που επινόησαν οι ερευνητές για να εκμεταλλευτούν τα πλεονεκτήματα του μετάλλου λιθίου χωρίς όλα τα μειονεκτήματα ήταν η παρεμβολή λιθίου - η διαδικασία στρωματοποίησης ιόντων λιθίου μέσα στον γραφίτη άνθρακα ή κάποιο άλλο υλικό, για να επιτραπεί η εύκολη κίνηση των ιόντων λιθίου από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο.Άλλοι μηχανισμοί περιλαμβάνουν τη χρήση υλικών ανόδου με λίθιο που καθιστούν πιο δυνατές τις αναστρέψιμες αντιδράσεις.Τα τυπικά υλικά ανόδου περιλαμβάνουν γραφίτη, κράματα με βάση το πυρίτιο, κασσίτερο και τιτάνιο.

Διαχωριστής

Ο ρόλος του διαχωριστή είναι να παρέχει ένα στρώμα ηλεκτρικής μόνωσης μεταξύ του αρνητικού και του θετικού ηλεκτροδίου, ενώ εξακολουθεί να επιτρέπει στα ιόντα να ταξιδεύουν μέσω αυτού κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση.Πρέπει επίσης να είναι χημικά ανθεκτικό στην αποικοδόμηση από τον ηλεκτρολύτη και άλλα είδη στο στοιχείο και μηχανικά αρκετά ισχυρό ώστε να αντέχει στη φθορά.Οι κοινοί διαχωριστές ιόντων λιθίου είναι γενικά πολύ πορώδεις και αποτελούνται από φύλλα πολυαιθυλενίου (PE) ή πολυπροπυλενίου (PP).

Ηλεκτρολύτης

Ο ρόλος ενός ηλεκτρολύτη σε ένα στοιχείο ιόντων λιθίου είναι να παρέχει ένα μέσο μέσω του οποίου τα ιόντα λιθίου μπορούν να ρέουν ελεύθερα μεταξύ της καθόδου και της ανόδου κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης.Η ιδέα είναι να επιλέξετε ένα μέσο που είναι και καλός αγωγός Li+ και ηλεκτρονικός μονωτήρας.Ο ηλεκτρολύτης πρέπει να είναι θερμικά σταθερός και χημικά συμβατός με τα άλλα συστατικά του στοιχείου.Γενικά, τα άλατα λιθίου όπως τα LiClO4, LiBF4 ή LiPF6 αιωρούμενα σε οργανικό διαλύτη όπως ανθρακικό διαιθυλεστέρα, ανθρακικό αιθυλένιο ή ανθρακικό διμεθυλεστέρα χρησιμεύουν ως ηλεκτρολύτης για συμβατικούς σχεδιασμούς ιόντων λιθίου.

Ενδιάμεση φάση στερεού ηλεκτρολύτη (SEI)

Μια σημαντική σχεδιαστική ιδέα που πρέπει να κατανοήσουμε σχετικά με τα κύτταρα ιόντων λιθίου είναι η ενδιάμεση φάση στερεού ηλεκτρολύτη (SEI) — ένα φιλμ παθητικοποίησης που συσσωρεύεται στη διεπιφάνεια μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη καθώς τα ιόντα Li+ αντιδρούν με τα προϊόντα αποικοδόμησης του ηλεκτρολύτη.Το φιλμ σχηματίζεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο κατά την αρχική φόρτιση του στοιχείου.Το SEI προστατεύει τον ηλεκτρολύτη από περαιτέρω αποσύνθεση κατά τις επόμενες φορτίσεις του στοιχείου.Η απώλεια αυτού του στρώματος παθητικοποίησης μπορεί να επηρεάσει αρνητικά τη διάρκεια ζωής του κύκλου, την ηλεκτρική απόδοση, τη χωρητικότητα και τη συνολική διάρκεια ζωής μιας κυψέλης.Από την άλλη πλευρά, οι κατασκευαστές έχουν διαπιστώσει ότι μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση της μπαταρίας ρυθμίζοντας το SEI.

Γνωρίστε την οικογένεια μπαταριών ιόντων λιθίου

Η γοητεία του λιθίου ως ιδανικό υλικό ηλεκτροδίων για εφαρμογές μπαταριών έχει οδηγήσει σε πολλά είδη μπαταριών ιόντων λιθίου.Ακολουθούν πέντε από τις πιο κοινές μπαταρίες που διατίθενται στο εμπόριο στην αγορά.

Οξείδιο του κοβαλτίου λιθίου

Έχουμε ήδη καλύψει σε βάθος τις μπαταρίες LiCoO2 σε αυτό το άρθρο, επειδή αντιπροσωπεύει την πιο δημοφιλή χημεία για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρονικές κάμερες.Το LiCoO2 οφείλει την επιτυχία του στην υψηλή ειδική ενέργειά του.Η μικρή διάρκεια ζωής, η κακή θερμική σταθερότητα και η τιμή του κοβαλτίου αναγκάζουν τους κατασκευαστές να στραφούν σε σχέδια μικτής καθόδου.

Οξείδιο του λιθίου μαγγανίου

Οι μπαταρίες οξειδίου του μαγγανίου λιθίου (LiMn2O4) χρησιμοποιούν καθόδους με βάση το MnO2.Σε σύγκριση με τις τυπικές μπαταρίες LiCoO2, οι μπαταρίες LiMn2O4 είναι λιγότερο τοξικές, λιγότερο κοστίζουν και είναι ασφαλέστερες στη χρήση, αλλά με μειωμένη χωρητικότητα.Ενώ επαναφορτιζόμενα σχέδια έχουν διερευνηθεί στο παρελθόν, η σημερινή βιομηχανία χρησιμοποιεί τυπικά αυτή τη χημεία για πρωτεύοντα κύτταρα (ενός κύκλου) τα οποία είναι μη επαναφορτιζόμενα και προορίζονται να απορριφθούν μετά τη χρήση.Η ανθεκτική, υψηλή θερμική σταθερότητα και η μεγάλη διάρκεια ζωής τα καθιστούν ιδανικά για ηλεκτρικά εργαλεία ή ιατρικές συσκευές.

Οξείδιο κοβαλτίου λιθίου νικελίου μαγγανίου

Μερικές φορές το σύνολο είναι μεγαλύτερο από το άθροισμα των μερών του και οι μπαταρίες οξειδίου του κοβαλτίου μαγγανίου λιθίου νικελίου (γνωστές και ως μπαταρίες NCM) διαθέτουν μεγαλύτερη ηλεκτρική απόδοση από το LiCoO2.Το NCM αποκτά τη δύναμή του εξισορροπώντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των επιμέρους υλικών καθόδου του.Ένα από τα πιο επιτυχημένα συστήματα ιόντων λιθίου στην αγορά, το NCM χρησιμοποιείται ευρέως σε κινητήρες όπως ηλεκτρικά εργαλεία και ηλεκτρονικά ποδήλατα.

Φωσφορικό λίθιο σίδηρο

Οι μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου (LiFePO4) επιτυγχάνουν μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή βαθμολογία ρεύματος με καλή θερμική σταθερότητα με τη βοήθεια νανοδομημένου υλικού καθόδου φωσφορικού άλατος.Παρά αυτές τις βελτιώσεις, δεν είναι τόσο ενεργειακά πυκνή όσο οι τεχνολογίες ανάμειξης κοβαλτίου και έχει τον υψηλότερο ρυθμό αυτοεκφόρτισης από τις άλλες μπαταρίες αυτής της λίστας.Οι μπαταρίες LiFePO4 είναι δημοφιλείς ως εναλλακτική λύση έναντι του μολύβδου-οξέος ως μπαταρία εκκίνησης αυτοκινήτου.

Τιτανικό λίθιο

Η αντικατάσταση της ανόδου γραφίτη με νανοκρυστάλλους τιτανικού λιθίου αυξάνει σημαντικά την επιφάνεια της ανόδου σε περίπου 100 m2 ανά γραμμάριο.Η νανοδομημένη άνοδος αυξάνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που μπορούν να ρέουν μέσα από το κύκλωμα, δίνοντας στα κύτταρα τιτανικού λιθίου την ικανότητα να φορτίζονται και να εκφορτίζονται με ασφάλεια σε ρυθμούς μεγαλύτερους από 10 C (δεκαπλάσια της ονομαστικής χωρητικότητάς τους).Η αντιστάθμιση για τον ταχύτερο κύκλο φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι μια σχετικά χαμηλότερη τάση 2,4 V ανά κυψέλη, κυψέλες τιτανικού λιθίου στο χαμηλότερο άκρο του φάσματος ενεργειακής πυκνότητας των μπαταριών λιθίου, αλλά ακόμα υψηλότερες από εναλλακτικές χημικές ουσίες όπως το νικέλιο- κάδμιο.Παρά αυτό το μειονέκτημα, η συνολική ηλεκτρική απόδοση, η υψηλή αξιοπιστία, η θερμική σταθερότητα και η πολύ μεγάλη διάρκεια ζωής σημαίνουν ότι η μπαταρία εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στα ηλεκτρικά οχήματα.

Το μέλλον των μπαταριών ιόντων λιθίου

Υπάρχει μεγάλη ώθηση από εταιρείες και κυβερνήσεις σε όλο τον κόσμο για να συνεχίσουν περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη σε τεχνολογίες ιόντων λιθίου και άλλες μπαταρίες για να καλύψουν την αυξανόμενη ζήτηση για καθαρή ενέργεια και μειωμένες εκπομπές άνθρακα.Οι εγγενώς διακοπτόμενες πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή και ο άνεμος, θα μπορούσαν να ωφεληθούν σε μεγάλο βαθμό από την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και τη μεγάλη διάρκεια ζωής του ιόντος λιθίου, γεγονός που έχει ήδη βοηθήσει την τεχνολογία να φέρει την αγορά ηλεκτρικών οχημάτων.

Για να καλύψουν αυτήν την αυξανόμενη ζήτηση, οι ερευνητές έχουν ήδη αρχίσει να πιέζουν τα όρια των υπαρχόντων ιόντων λιθίου με νέους και συναρπαστικούς τρόπους.Οι κυψέλες πολυμερούς λιθίου (Li-Po) αντικαθιστούν τους επικίνδυνους υγρούς ηλεκτρολύτες με βάση το άλας λιθίου με ασφαλέστερα πηκτώματα πολυμερούς και σχέδια ημι-υγρής κυψέλης, για συγκρίσιμη ηλεκτρική απόδοση με βελτιωμένη ασφάλεια και μικρότερο βάρος.Το λίθιο στερεάς κατάστασης είναι η νεότερη τεχνολογία στο μπλοκ, που υπόσχεται βελτιώσεις στην ενεργειακή πυκνότητα, την ασφάλεια, τη διάρκεια ζωής του κύκλου και τη συνολική μακροζωία με τη σταθερότητα ενός στερεού ηλεκτρολύτη.Είναι δύσκολο να προβλέψουμε ποια τεχνολογία θα κερδίσει τον αγώνα για την απόλυτη λύση αποθήκευσης ενέργειας, αλλά το ιόν λιθίου είναι βέβαιο ότι θα συνεχίσει να παίζει σημαντικό ρόλο στην ενεργειακή οικονομία τα επόμενα χρόνια.

Πάροχος λύσεων αποθήκευσης ενέργειας

Κατασκευάζουμε προϊόντα αιχμής, συνδυάζοντας μηχανική ακρίβειας με εκτενή τεχνογνωσία σε εφαρμογές για να βοηθήσουμε τους πελάτες να ενσωματώσουν λύσεις αποθήκευσης ενέργειας στα προϊόντα τους.Η BSLBATT Engineered Technologies διαθέτει την αποδεδειγμένη τεχνογνωσία στην τεχνολογία και την ενσωμάτωση για να φέρει τις εφαρμογές σας από τη σύλληψη στην εμπορευματοποίηση.

Για να μάθετε περισσότερα, δείτε την ανάρτηση του ιστολογίου μας στο αποθήκευση μπαταρίας λιθίου .