Обзор литиевых батарей | BSLBATT Возобновляемая энергия

BSLBATT Engineered Technologies использует наши опытные команды по проектированию, проектированию, контролю качества и производству, чтобы наши клиенты могли быть уверены в технически передовых аккумуляторных решениях, отвечающих уникальным требованиям их конкретных приложений. Мы специализируемся на разработке перезаряжаемых и неперезаряжаемых литиевых элементов и аккумуляторных батарей, работая с различными химическими составами литиевых элементов, предлагая варианты и решения для требовательных применений по всему миру.

Литиевый аккумулятор Технологии

Наши широкие производственные возможности позволяют нам создавать как самые простые аккумуляторные блоки, так и индивидуальные блоки со специализированными схемами, разъемами и корпусами. От небольших до крупных объемов мы обладаем возможностями и отраслевым опытом для удовлетворения уникальных потребностей всех OEM-производителей, поскольку наша опытная команда инженеров может проектировать, разрабатывать, тестировать и производить индивидуальные аккумуляторные решения для конкретных потребностей большинства применений.

BSLBATT предлагает решения «под ключ», основанные на требованиях и спецификациях клиентов. Мы сотрудничаем с ведущими производителями аккумуляторов, чтобы предоставить оптимальные решения, а также разрабатываем и интегрируем в аккумуляторные блоки самую сложную электронику управления и мониторинга.

Как работает литий-ионный аккумулятор?

Литий-ионные аккумуляторы используют сильный восстановительный потенциал ионов лития для обеспечения окислительно-восстановительной реакции, центральной для всех аккумуляторных технологий — восстановления на катоде, окисления на аноде. Соединение положительных и отрицательных 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 множество 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 потребительских товаров. электроника вплоть до 90-х годов — чтобы продемонстрировать основы химии, лежащие в основе 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. Эту реакцию 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 при разряде происходит окисление на аноде (см. обратную реакцию).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Во время разряда ионы лития (Li+) перемещаются от отрицательного электрода (графита) через электролит (соли лития, взвешенные в растворе) и сепаратор к положительному электроду (LiCoO2). При этом электроны движутся от анода (графита) к катоду (LiCoO2), который подключается через внешнюю цепь. Если применяется внешний источник питания, реакция меняется на противоположную, а также роли соответствующих электродов, заряжающих ячейку.

Что такое литий-ионный аккумулятор

Типичный цилиндрический элемент 18650, который является распространенным форм-фактором, используемым в промышленности для коммерческих приложений, от ноутбуков до электромобилей, имеет напряжение OCV (напряжение холостого хода) 3,7 В. В зависимости от производителя он может выдавать около 20 ампер при емкости 3000 мАч и более. Аккумуляторный блок будет состоять из нескольких ячеек и, как правило, включать в себя защитный микрочип, предотвращающий перезарядку и разрядку ниже минимальной емкости, что может привести как к перегреву, возгоранию и взрыву. Давайте более подробно рассмотрим внутренности клетки.

Положительный электрод/катод

Ключом к созданию положительного электрода является выбор материала, электрический потенциал которого превышает 2,25 В по сравнению с чистым металлическим литием. Материалы катодов литий-ионных аккумуляторов сильно различаются, но обычно они состоят из слоистых оксидов переходных металлов лития, как, например, конструкция катода LiCoO2, которую мы исследовали ранее. Другие материалы включают шпинели (т.е. LiMn2O4) и оливины (т.е. LiFePO4).

Отрицательный электрод/анод

В идеальной литиевой батарее в качестве анода следует использовать чистый металлический литий, поскольку он обеспечивает оптимальное сочетание низкой молекулярной массы и высокой удельной емкости, возможное для батареи. Есть две основные проблемы, которые мешают использовать литий в качестве анода в коммерческих целях: безопасность и обратимость. Литий обладает высокой реакционной способностью и склонен к катастрофическим отказам пиротехнического типа. Кроме того, во время зарядки литий не возвращается в исходное однородное металлическое состояние, а принимает игольчатую морфологию, известную как дендрит. Образование дендритов может привести к проколам сепараторов, что может привести к замыканию.

Решением, которое исследователи придумали, чтобы использовать плюсы металлического лития без всех минусов, была интеркаляция лития — процесс наслаивания ионов лития внутри углеродного графита или другого материала, чтобы обеспечить легкое перемещение ионов лития от одного электрода к другому. Другие механизмы включают использование анодных материалов с литием, которые делают обратимые реакции более возможными. Типичные материалы анода включают графит, сплавы на основе кремния, олово и титан.

Сепаратор

Роль сепаратора заключается в обеспечении слоя электрической изоляции между отрицательным и положительным электродами, при этом позволяя ионам проходить через него во время заряда и разряда. Он также должен быть химически устойчивым к разложению под действием электролита и других веществ в элементе и достаточно прочным механически, чтобы противостоять 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 перемещаться между катодом и анодом во время циклов зарядки и разрядки. Идея состоит в том, чтобы выбрать среду, которая является одновременно хорошим проводником Li+ и электронным изолятором. Электролит должен быть термически стабильным и химически совместимым с другими компонентами элемента. Обычно соли лития, такие как LiClO4, LiBF4 или LiPF6, суспендированные в органическом растворителе, таком как диэтилкарбонат, этиленкарбонат или диметилкарбонат, служат электролитом для традиционных литий-ионных конструкций.

Межфазная фаза твердого электролита (SEI)

Важной концепцией конструкции литий-ионных элементов, которую следует понимать, является межфазная фаза твердого электролита (SEI) — пассивационная пленка, которая образуется на границе раздела между электродом и электролитом, когда ионы Li+ реагируют с продуктами разложения электролита. Пленка образуется на отрицательном электроде во время первоначального заряда ячейки. SEI защищает электролит от дальнейшего разложения во время последующих зарядов элемента. Потеря этого пассивирующего слоя может отрицательно повлиять на срок службы, электрические характеристики, емкость и общий срок службы элемента. С другой стороны, производители обнаружили, что они могут улучшить производительность батареи за счет точной настройки SEI.

Познакомьтесь с семейством литий-ионных аккумуляторов

Привлекательность лития как идеального материала электродов для аккумуляторов привела к появлению множества видов литий-ионных батарей. Вот пять наиболее распространенных аккумуляторов, имеющихся в продаже на рынке.

оксид лития-кобальта

В этой статье мы уже подробно рассмотрели батареи LiCoO2, поскольку 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 смешанных катодов.

оксид лития-марганца

В литий-оксид-марганцевых батареях (LiMn2O4) используются катоды на основе MnO2. По сравнению со стандартными батареями LiCoO2, батареи LiMn2O4 менее токсичны, дешевле и безопаснее в использовании, но имеют меньшую емкость. Хотя в прошлом изучались конструкции перезаряжаемых аккумуляторов, сегодняшняя промышленность обычно использует этот химический состав для первичных (одноцикловых) элементов, которые не перезаряжаются и подлежат 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-марганец-кобальт-оксидные батареи (также известные как батареи NCM) обладают более высокими электрическими характеристиками, чем LiCoO2. NCM набирает силу, балансируя 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 электронные велосипеды.

Литий-железо-фосфат

Литий-железо-фосфатные батареи (LiFePO4) обеспечивают длительный срок службы, высокий номинальный ток и хорошую термическую стабильность благодаря наноструктурированному фосфатному катодному материалу. Несмотря на эти улучшения, он не так энергоемок, как технологии на основе кобальта, и имеет самую высокую скорость саморазряда среди других аккумуляторов в этом списке. Аккумуляторы LiFePO4 популярны как альтернатива свинцово-кислотным аккумуляторам для стартера автомобилей.

Титанат лития

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 элементам из титаната лития возможность безопасно заряжать и разряжать со скоростью более 10°C (в десять раз больше номинальной емкости). Платой за самый быстрый цикл зарядки и разрядки литий-ионных батарей является относительно более низкое напряжение 2,4 В на ячейку, элементы из титаната лития находятся на нижнем конце спектра плотности энергии литиевых батарей, но все же выше, чем у альтернативных химических элементов, таких как никель-ионные батареи. кадмий. Несмотря на этот недостаток, общие электрические характеристики, высокая надежность, термическая стабильность и сверхдлительный срок службы означают, что аккумулятор по-прежнему находит применение в электромобилях.

Будущее литий-ионных аккумуляторов

Компании и правительства по всему миру активно настаивают на продолжении исследований и разработок в области литий-ионных и других аккумуляторных технологий, чтобы удовлетворить растущий спрос на чистую энергию и сократить выбросы углекислого газа. Источники энергии с прерывистым характером, такие как солнечная энергия и ветер, могут значительно выиграть от высокой плотности энергии ионов лития и длительного срока службы, что уже помогло этой технологии монополизировать рынок электромобилей.

Чтобы удовлетворить этот растущий спрос, исследователи уже начали расширять границы существующих литий-ионных технологий новыми и интересными способами. Литий-полимерные (Li-Po) элементы заменяют опасные жидкие электролиты на основе солей лития более безопасными полимерными гелями и полумокрыми элементами, обеспечивающими сопоставимые электрические характеристики, повышенную безопасность и меньший вес. Твердотельный литий — это новейшая технология, обещающая улучшение плотности энергии, безопасности, срока службы и общего срока службы при стабильности твердого электролита. Трудно предсказать, какая технология выиграет гонку за лучшее решение для хранения энергии, но литий-ионные технологии, несомненно, будут продолжать играть важную роль в энергетической экономике в ближайшие годы.

Поставщик решений для хранения энергии

Мы производим передовую продукцию, сочетая точные технологии с обширным опытом применения, чтобы помочь клиентам интегрировать решения по хранению энергии в их продукцию. BSLBATT Engineered Technologies обладает проверенными технологиями и опытом интеграции, позволяющими довести ваши приложения от концепции до коммерциализации.

Чтобы узнать больше, прочтите нашу публикацию в блоге на литиевая батарея для хранения .