Översikt över litiumbatteri |BSLBATT förnybar energi

BSLBATT Engineered Technologies använder våra erfarna teknik-, design-, kvalitets- och tillverkningsteam så att våra kunder kan vara säkra på tekniskt avancerade batterilösningar som uppfyller de unika kraven för deras specifika applikationer.Vi är specialiserade på laddningsbara och icke-uppladdningsbara litiumceller och batteripaketdesign som arbetar med en mängd olika litiumcellskemier för att erbjuda alternativ och lösningar för krävande applikationer över hela världen.

Litium batteripaket Teknologier

Vår breda tillverkningskapacitet gör det möjligt för oss att bygga de mest grundläggande batteripaketen, till skräddarsydda paket med specialiserade kretsar, kontakter och höljen.Från låg till hög volym, vi har förmågan och branschexpertis för att möta de unika behoven hos alla OEM:er eftersom vårt erfarna ingenjörsteam kan designa, utveckla, testa och tillverka anpassade batterilösningar för de flesta applikationers specifika behov.

BSLBATT erbjuder nyckelfärdiga lösningar baserade på kundens krav och specifikationer.Vi samarbetar med de branschledande celltillverkarna för att tillhandahålla de optimala lösningarna och vi utvecklar och integrerar den mest sofistikerade styr- och övervakningselektroniken i sina batteripaket.

Hur fungerar ett litiumjonbatteri?

Litiumjonbatterier drar nytta av den starka reducerande potentialen hos litiumjoner för att driva redoxreaktionen som är central för alla batteriteknologier - reduktion vid katoden, oxidation vid anoden.Att ansluta de positiva och negativa polerna på ett batteri genom en krets, förenar de två halvorna av redoxreaktionen, vilket gör att enheten som är ansluten till kretsen kan extrahera energi från elektronernas rörelse.

Även om det finns många olika typer av litiumbaserade kemier som används i industrin idag, kommer vi att använda litiumkoboltoxid (LiCoO2) - kemin som gjorde det möjligt för litiumjonbatterier att ersätta de nickel-kadmiumbatterier som hade varit normen för konsumenter elektronik fram till 90-talet — för att demonstrera den grundläggande kemin bakom denna populära teknik.

Den fullständiga reaktionen för en LiCoO2-katod och en grafitanod är som följer:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Där framåtreaktionen representerar laddning, och den omvända reaktionen representerar urladdning.Detta kan delas upp i följande halvreaktioner:

Vid den positiva elektroden sker reduktion vid katoden under urladdning (se omvänd reaktion).

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

Vid den negativa elektroden sker oxidation vid anoden under urladdning (se omvänd reaktion).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Under urladdning rör sig litiumjoner (Li+) från den negativa elektroden (grafit) genom elektrolyten (litiumsalter suspenderade i en lösning) och separatorn till den positiva elektroden (LiCoO2).Samtidigt rör sig elektroner från anoden (grafit) till katoden (LiCoO2) som är ansluten via en extern krets.Om en extern strömkälla appliceras, omkastas reaktionen tillsammans med respektive elektrods roller, vilket laddar cellen.

Vad finns i ett litiumjonbatteri

Din typiska cylindriska 18650-cell, som är den vanliga formfaktorn som används av industrin för kommersiella tillämpningar från bärbara datorer till elfordon, har en OCV (öppen kretsspänning) på 3,7 volt.Beroende på tillverkare kan den leverera cirka 20 ampere med en kapacitet på 3000mAh eller mer.Batteripaketet kommer att bestå av flera celler och inkluderar vanligtvis ett skyddande mikrochip för att förhindra överladdning och urladdning under minimikapaciteten, vilket både kan leda till överhettning, bränder och explosioner.Låt oss ta en närmare titt på det inre av en cell.

Positiv elektrod/katod

Nyckeln till att designa en positiv elektrod är att välja ett material som har en elektropotential som är större än 2,25V jämfört med rena litiummetaller.Katodmaterial i litiumjon varierar mycket, men de har i allmänhet skiktade litiumövergångsmetalloxider, som LiCoO2-katoddesignen som vi utforskade tidigare.Andra material inkluderar spineller (dvs LiMn2O4) och oliviner (dvs LiFePO4).

Negativ elektrod/anod

I ett idealiskt litiumbatteri skulle du använda ren litiummetall som anod, eftersom det ger den optimala kombinationen av låg molekylvikt och hög specifik kapacitet som är möjlig för ett batteri.Det finns två huvudproblem som hindrar litium från att användas som anod i kommersiella applikationer: säkerhet och reversibilitet.Litium är mycket reaktivt och benäget för katastrofala fellägen av det pyrotekniska slaget.Även under laddning kommer litium inte att plåtas tillbaka till sitt ursprungliga enhetliga metalliska tillstånd, istället för att anta en nålliknande morfologi som kallas en dendrit.Dendritbildning kan leda till punkterade separatorer som kan leda till kortslutningar.

Lösningen som forskare tog fram för att utnyttja fördelarna med litiummetall utan alla nackdelar var litiuminterkalering - processen att skikta litiumjoner i kolgrafit eller något annat material, för att möjliggöra enkel förflyttning av litiumjoner från en elektrod till en annan.Andra mekanismer involverar användning av anodmaterial med litium som gör reversibla reaktioner mer möjliga.Typiska anodmaterial inkluderar grafit, kiselbaserade legeringar, tenn och titan.

Separator

Separatorns roll är att tillhandahålla ett lager av elektrisk isolering mellan de negativa och positiva elektroderna, samtidigt som det tillåter joner att färdas genom den under laddning och urladdning.Den måste också vara kemiskt resistent mot nedbrytning av elektrolyten och andra arter i cellen och mekaniskt stark nog att motstå slitage.Vanliga litiumjonseparatorer är i allmänhet mycket porösa till sin natur och består av polyeten (PE) eller polypropen (PP) ark.

Elektrolyt

Rollen för en elektrolyt i en litiumjoncell är att tillhandahålla ett medium genom vilket litiumjoner fritt kan strömma mellan katoden och anoden under laddnings- och urladdningscykler.Tanken är att välja ett medium som är både en bra Li+-ledare och en elektronisk isolator.Elektrolyten bör vara termiskt stabil och kemiskt kompatibel med de andra komponenterna i cellen.I allmänhet tjänar litiumsalter som LiClO4, LiBF4 eller LiPF6 suspenderade i ett organiskt lösningsmedel som dietylkarbonat, etylenkarbonat eller dimetylkarbonat som elektrolyten för konventionella litiumjonkonstruktioner.

Solid Electrolyte Interphase (SEI)

Ett viktigt designkoncept att förstå om litiumjonceller är den fasta elektrolytinterfasen (SEI) - en passiveringsfilm som byggs upp vid gränssnittet mellan elektroden och elektrolyten när Li+-joner reagerar med nedbrytningsprodukter från elektrolyten.Filmen bildas på den negativa elektroden under den initiala laddningen av cellen.SEI skyddar elektrolyten från ytterligare nedbrytning under efterföljande laddningar av cellen.Förlust av detta passiverande skikt kan negativt påverka cykellivslängden, elektrisk prestanda, kapacitet och en cells totala livslängd.Å andra sidan har tillverkare funnit att de kan förbättra batteriprestanda genom att finjustera SEI.

Möt Lithium-Ion-batterifamiljen

Lockelsen med litium som ett idealiskt elektrodmaterial för batteriapplikationer har lett till många typer av litiumjonbatterier.Här är fem av de vanligaste kommersiellt tillgängliga batterierna på marknaden.

Litiumkoboltoxid

Vi har redan täckt LiCoO2-batterier på djupet i den här artikeln eftersom det representerar den mest populära kemin för bärbar elektronik som mobiltelefoner, bärbara datorer och elektroniska kameror.LiCoO2 har sin framgång tack vare sin höga specifika energi.En kort livslängd, dålig termisk stabilitet och priset på kobolt får tillverkarna att byta till blandade katoddesigner.

Litium manganoxid

Litiummanganoxidbatterier (LiMn2O4) använder MnO2-baserade katoder.Jämfört med standard LiCoO2-batterier är LiMn2O4-batterier mindre giftiga, kostar mindre och är säkrare att använda, men med minskad kapacitet.Även om uppladdningsbara konstruktioner har utforskats tidigare, använder dagens industri vanligtvis denna kemi för primära (enkelcykel) celler som är icke-uppladdningsbara och avsedda att kasseras efter användning.Hållbar, hög termisk stabilitet och lång hållbarhet gör dem perfekta för elverktyg eller medicinsk utrustning.

Litium Nickel Mangan Koboltoxid

Ibland är helheten större än summan av dess delar, och litiumnickel mangan koboltoxidbatterier (även kända som NCM-batterier) har bättre elektrisk prestanda än LiCoO2.NCM vinner sin styrka i att balansera för- och nackdelar med sina individuella katodmaterial.Ett av de mest framgångsrika litiumjonsystemen på marknaden, NCM används ofta i drivlinor som elverktyg och elcyklar.

Litium järnfosfat

Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) batterier uppnår lång livslängd och hög strömstyrka med god termisk stabilitet med hjälp av nanostrukturerat fosfatkatodmaterial.Trots dessa förbättringar är den inte lika energität som koboltblandad teknik och den har den högsta självurladdningshastigheten av de andra batterierna i denna lista.LiFePO4-batterier är populära som ett alternativ till blysyra som startbatteri för bilar.

Litiumtitanat

Att ersätta grafitanoden med litiumtitanat nanokristaller ökar kraftigt anodens yta till cirka 100 m2 per gram.Den nanostrukturerade anoden ökar antalet elektroner som kan flöda genom kretsen, vilket ger litiumtitanatceller förmågan att säkert ladda och ladda ur med hastigheter över 10C (tio gånger dess nominella kapacitet).Avvägningen för att ha den snabbaste laddnings- och urladdningscykeln av litiumjonbatterier är en relativt lägre spänning 2,4V per cell, litiumtitanatceller i den nedre änden av energitäthetsspektrumet för litiumbatterier men fortfarande högre än alternativa kemier som nickel- kadmium.Trots denna nackdel innebär övergripande elektrisk prestanda, hög tillförlitlighet, termisk stabilitet och en extra lång livslängd att batteriet fortfarande kan användas i elfordon.

Framtiden för litiumjonbatterier

Det finns ett stort tryck från företag och regeringar över hela världen för att fortsätta forskning och utveckling om litiumjon- och andra batteriteknologier för att möta den växande efterfrågan på ren energi och minskade koldioxidutsläpp.Intermittenta energikällor som sol och vind skulle kunna dra stor nytta av litiumjonens höga energitäthet och långa livslängd, vilket redan har hjälpt tekniken att höra elfordonsmarknaden.

För att möta denna växande efterfrågan har forskare redan börjat tänja på gränserna för befintlig litiumjon på nya och spännande sätt.Litiumpolymerceller (Li-Po) ersätter de farliga flytande litiumsaltbaserade elektrolyterna med säkrare polymergeler och halvvåta celldesigner, för jämförbar elektrisk prestanda med förbättrad säkerhet och lägre vikt.Solid-state litium är den senaste tekniken på blocket, som lovar förbättringar i energitäthet, säkerhet, cykellivslängd och övergripande livslängd med stabiliteten hos en fast elektrolyt.Det är svårt att förutsäga vilken teknik som kommer att vinna kapplöpningen om den ultimata energilagringslösningen, men litiumjon kommer säkerligen att fortsätta spela en stor roll i energiekonomin under de kommande åren.

Leverantör av energilagringslösningar

Vi tillverkar banbrytande produkter som kombinerar precisionsteknik med omfattande applikationsexpertis för att hjälpa kunder att integrera energilagringslösningar i sina produkter.BSLBATT Engineered Technologies har den beprövade tekniken och integrationsexpertisen för att ta dina applikationer från idé till kommersialisering.

För att lära dig mer, se vårt blogginlägg på lagring av litiumbatteri .