Što je baterijska ćelija?
Struktura stanice
Jedna baterija, također poznata kao "ćelija", najmanja je jedinica baterijskog sustava. Uglavnom se sastoji od katode (Cathode Electrode), anode (Anode Electrode), elektrolita (Electrolyte), separatora (Separator) i kućišta (Case), kao što je prikazano na slici 7-1.
Ploča elektrode litij-ionske ćelije može se kategorizirati kao kompozitni materijal koji se uglavnom sastoji od četiri dijela:
1) Čestice aktivnog materijala koje interkaliraju ili deinterkaliraju litijeve ione; čestice katode daju izvor litija, dok čestice anode prihvaćaju ione litija.
2) Vodljiva faza (faza ugljičnog gela) formirana mješavinom vodljivog sredstva i kolektora struje, s vezivom koje služi vezivnoj funkciji; premaz provodi elektrone kroz kolektor struje i vodljivo sredstvo.
3) Pore ispunjene elektrolitom, koje služe kao kanali za transport litij-iona unutar ploče elektrode.
4) Kolektor struje.
Tijekom elektrokemijskog procesa, oblaganje elektrode uglavnom uključuje sljedeća 4 procesa:
1) Prijenos elektrona.
2) Prijenos iona.
3) Izmjena naboja na sučelju elektrolit/čestica elektrode, tj. elektrokemijska reakcija.
4) Difuzija litijevih iona unutar čvrste faze. U mikrostrukturi ploče elektrode veličina i raspodjela čestica utječu na put difuzije litij-iona i specifičnu površinu elektrokemijske reakcije; veličina i raspodjela pora utječu na proces transporta elektrolita; poroznost utječe na količinu aktivnog materijala i specifičnu površinu elektrokemijske reakcije. Sve te mikrostrukturne karakteristike u konačnici utječu na performanse baterije.
Struktura katode
Ćelijska katoda se uglavnom sastoji od katodnih materijala kao što su LiCoO₂, vodljivi agens, vezivo (PVDF) i kolektor struje (aluminijska folija), kao što je prikazano na slici 7-2.
Za litij-ionske baterije katodni sakupljač struje obično je aluminijska folija, a anodni sakupljač strujebakrena folija. Kako bi se osigurala stabilnost kolektora struje unutar baterije, čistoća oba mora biti iznad 98%. Razlozi zašto litij-ionske baterije koriste aluminijsku foliju za katodu i bakrenu foliju za anodu su sljedeće 3 točke:
1) Bakar i aluminij imaju dobru električnu vodljivost, meku teksturu i nisku cijenu. Princip rada litij-ionske baterije je elektrokemijski uređaj koji pretvara kemijsku energiju u električnu. U ovom procesu potreban je medij za prijenos kemijske energije u električnu energiju, za što je potreban vodljivi materijal. Među uobičajenim materijalima metali imaju najbolju električnu vodljivost, a među metalima bakar i aluminij nude izvrsnu vodljivost i relativno nisku cijenu u obliku bakrene i aluminijske folije. U litij-ionskim baterijama postoje uglavnom dvije metode obrade: namotavanje i slaganje. U usporedbi sa slaganjem, namotavanje zahtijeva da listovi elektroda koji se koriste za pripremu baterije imaju određenu fleksibilnost kako bi se osiguralo da listovi elektroda ne postanu krti ili se slome tijekom namatanja. Među metalnim materijalima, bakrene i aluminijske folije su mekane, relativno tvrde bakrene/aluminijske folije su skupe, bakrene i aluminijske folije su relativno jeftine, a resursi bakra i aluminija su bogati diljem svijeta.
2) Bakrene i aluminijske folije također su relativno stabilne na zraku. Aluminij lako kemijski reagira s kisikom u zraku stvarajući gusti oksidni film na površini, sprječavajući daljnju reakciju aluminija. Ovaj oksidni film bakra/aluminija također pruža određeni zaštitni učinak na aluminij u elektrolitu. Sam bakar je relativno stabilan na zraku i u osnovi ne prolazi kemijske reakcije na suhom zraku.
3) Potencijali katode i anode litij-ionskih baterija određuju da se aluminijska folija koristi za katodu, a bakrena folija za anodu i ne mogu se obrnuti. Katodni potencijal je visok, a bakrena folija se lako oksidira pri visokom potencijalu, dok aluminij ima visok oksidacijski potencijal i gusti oksidni film na svom površinskom sloju, koji također pruža dobru zaštitu za unutarnji aluminij.
U kristalnoj rešetki metalnog aluminija, bakar i aluminij imaju veličine slične Liju i mogu lako tvoriti intermetalne spojeve s Lijem kao što je LiAl. Li i Al ne samo da mogu tvoriti leguru s kemijskom formulom LiAl, već također mogu formirati slojeve legure Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al i Li₂Al. Ovi slojevi legure troše veliku količinu Li i oštećuju strukturu i morfologiju samog Al, tako da se ne može koristiti kao anodni kolektor struje litij-ionskih baterija; dok se Cu podvrgava vrlo malom otapanju tijekom punjenja baterije-pražnjenja i održava strukturnu i elektrokemijsku stabilnost, što ga čini prikladnim kao anodni kolektor struje za litij-ionske baterije. Za bakrenu foliju na 3,5 V, polarizacijska struja počinje značajno rasti i raste linearno, uz pojačanu oksidaciju, što ukazuje da se Cu također počinje otapati u bateriji; dok je za aluminijsku foliju u cijelom rasponu polarizacijskih potencijala polarizacijska struja mala i stabilna, bez očitih pojava korozije, održavajući elektrokemijsku stabilnost. Budući da je količina otapanja Al u rasponu katodnog potencijala litij-ionskih baterija izuzetno mala i može se održati elektrokemijska stabilnost, prikladan je kao katodni kolektor struje za litij-ionske baterije.
Oksidni sloj na bakrenim/aluminijskim površinama spada u poluvodiče i provodi elektrone; ako je sloj oksida predebeo, impedancija je velika; dok je sloj aluminijevog oksida na aluminijskoj površini izolator i ne može provoditi električnu struju, ali budući da je vrlo tanak, elektronska vodljivost se postiže kroz efekt tuneliranja; ako je sloj oksida debeo, vodljivost bakrene/aluminijske folije je loša ili čak izolacijska. Općenito, bakrenu/aluminijsku foliju prije upotrebe potrebno je očistiti od oksidnog sloja kako bi se uklonilo ulje s jedne strane i debeli slojevi oksida s druge strane. Potencijal katode je visok, a sloj aluminijevog oksida vrlo gust, što može spriječiti oksidaciju kolektora struje. Oksidni slojevi bakra/nikla itd. relativno su labavi, lako sprječavaju kolektor struje i osiguravaju bolje performanse baterije. U isto vrijeme, anodni potencijal litij-ionskih baterija je nizak, a bakar/nikal će proći kroz reakcije oksidacije, s reakcijama oksidacije/bakra/de-litijacije koje se odvijaju na površini bakra/nikla, dok je aluminij podvrgnut LiAl legiranju s visokim potencijalom.
Strujni kolektor zahtijeva čisti sastav. Nečistoće u Alu će površinski film učiniti manje gustim i uzrokovati rupičastu koroziju, a što je još ozbiljnije, uništavanje površinskog filma dovodi do stvaranja LiAl legure.
Strujni kolektor zahtijeva čisti sastav. Nečistoće u Al će uzrokovati da površinski film bude manje gust, što dovodi do rupičaste korozije, i još gore, uništavanje površinskog filma rezultira stvaranjem LiAl legure.
Za litij-ionske baterije katodna aluminijska folija smanjena je sa 16 μm na 14 μm, zatim na 12 μm, a sada je aluminijska folija od 10 μm već u masovnoj proizvodnji, a neke čak koriste i 8 μm; za anodnu bakrenu foliju, zbog svoje inherentno bolje fleksibilnosti, njezina debljina smanjena je s prijašnjih 12 μm na 10 μm, zatim na 8 μm, a trenutno se velik dio baterija masovno -proizvodi pomoću 6 μm, dok neki proizvođači razvijaju 5 μm/4 μm koji su također potencijalno upotrebljivi. Budući da litij-ionske baterije imaju visoke zahtjeve čistoće za korištenu bakrenu foliju, gustoća materijala je u osnovi na istoj razini. Kako se debljina u razvoju smanjuje, površinska gustoća se smanjuje u skladu s tim, a težina baterije prirodno postaje sve lakša i lakša, što zadovoljava potražnju za litij-ionskim baterijama.
Za kolektore struje, osim što njihova debljina i težina utječu na litij-ionske baterije, površinska svojstva kolektora također imaju značajan utjecaj na proizvodnju i performanse baterije. Posebno za anodni kolektor struje, zbog nedostataka u tehnologiji pripreme, bakrene folije na tržištu su uglavnom jednostrano ohrapavljene, dvostrano ohrapavljene, dvostrano ohrapavljene i dvostrano ogrubljene. Ova asimetrična dvo-strana struktura dovest će do asimetričnog kontaktnog otpora anodne prevlake s obje strane, čime se sprječava ravnomjerno oslobađanje anodnog kapaciteta s obje strane; u isto vrijeme, asimetrija na obje strane također će uzrokovati nedosljednu čvrstoću prianjanja anodnog premaza, što će rezultirati ozbiljno neuravnoteženim trajanjem ciklusa punjenja-pražnjenja anodnog premaza na obje strane, što zauzvrat ubrzava opadanje kapaciteta baterije.
Katodna formula jedne ćelije ključna je temeljna tehnologija ćelije. Dolje je primjer:
1) LiCoO₂ (10 μm): 96,0 %.
2) Vodljivo sredstvo (Carbon ECP): 2,0%.
3) Vezivo (PVDF 761): 2,0%.
4) Promotor adhezije (NMP): težinski omjer čvrstih tvari je približno 810:1496.
Mjere opreza pri formulaciji katode:
1) Kontrola viskoznosti katodne suspenzije na 6000 cP (1 cP=1 mPa · s) (temperatura 25 stupnjeva).
2) Težina NMP-a mora biti prikladno podešena kako bi zadovoljila zahtjeve viskoznosti.
3) Obratite posebnu pozornost na utjecaj temperature i vlage na viskoznost.
Materijal katode litij kobalt oksid: aktivni materijal katode, izvor litij iona, osigurava izvor litija za bateriju. Ne-polarna tvar, nepravilan oblik, veličina čestica D50 općenito 6-8 μm, sadržaj vlage manji ili jednak 0,2%, obično alkalno, pH 10-11.
Materijal katode litij mangan oksid: ne{0}}polarna tvar, nepravilnog oblika, veličina čestica D50 općenito 5-7 μm, sadržaj vlage manji ili jednak 0,2%, obično slabo alkalan, pH oko 8.
Vodljivi agens: lančana-tvar, sadržaj vlage<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.
Vezivo (PVDF): ne-polarna tvar, slična lancu-, molekularne težine u rasponu od 300 000 do 3 000 000; molekularna težina se smanjuje nakon upijanja vode, što rezultira slabijom adhezijom. Koristi se za spajanje litij kobalt oksida, vodljivog sredstva i aluminijske folije ili aluminijske mreže zajedno s promotorom prianjanja (NMP): slabo polarna tekućina, koristi se za otapanje/bubrenje PVDF-a i istovremeno razrjeđivanje kaše.
Sakupljač struje (katodni jezičak): Izrađen od aluminijske folije ili aluminijske trake.
Struktura anode
Struktura stanične anode sastoji se od grafitnog materijala, vodljivog sredstva, zgušnjivača (CMC), veziva (SBR) i odvodnika struje (bakrena folija), kao što je prikazano na slici 7-3.
Formulacija anode jedne ćelije također je jedna od ključnih temeljnih tehnologija ćelije, obično kako slijedi:
1) Materijal anode (grafit): 94,5%.
2) Vodljivo sredstvo (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Vezivo (stiren-butadien kaučuk lateks, SBR): 2,25%.
4) Zgušnjivač (karboksimetil celuloza, CMC): 2,25%.
5) Voda: Omjer težine krutih tvari je 1600:1417,5.
Mjere opreza pri formulaciji anode:
1) Kontrola viskoznosti kaše anode na 5000-6000 cP (temperatura 25 stupnjeva).
2) Težinu vode potrebno je odgovarajuće prilagoditi kako bi se zadovoljili zahtjevi viskoznosti.
3) Obratite posebnu pozornost na utjecaj temperature i vlage na viskoznost.
Grafit: aktivni materijal za anodu, glavna tvar koja čini reakciju anode, uglavnom podijeljena u dvije glavne kategorije: prirodni grafit i umjetni grafit. Ne-polarna tvar, lako se kontaminira ne-polarnim tvarima, lako se raspršuje u ne-polarnim tvarima; nije lako upiti vodu, niti se lako raspršiti u vodi. Kontaminirani grafit, nakon što se rasprši u vodi, ima tendenciju ponovnog-aglomeriranja. Opća veličina čestica D50 je oko 20 μm. Oblici čestica su različiti i uglavnom nepravilni, uglavnom sferni, ljuskasti, vlaknasti itd.
Funkcije provodnog sredstva:
1) Poboljšajte vodljivost anodne ploče i nadoknadite elektronsku vodljivost anodnog aktivnog materijala.
2) Povećajte dubinu reakcije i stopu iskorištenja.
3) Spriječiti stvaranje dendrita.
4) Iskoristite sposobnost-apsorpcije tekućine vodljivih materijala za povećanje reakcijske površine i smanjenje polarizacije (može se dodati ili ne u skladu s distribucijom veličine čestica grafita).
Aditivi: Smanjuju ireverzibilne reakcije, povećavaju snagu vezivanja i viskoznost kaše i sprječavaju taloženje kaše.
Zgušnjivač/sredstvo protiv{0}}taloženja (CMC): visokomolekularni spoj, lako topiv u vodi i polarnim otapalima.
Izopropanol: Slabo polarna tvar; nakon dodavanja, može smanjiti polaritet otopine veziva, poboljšati kompatibilnost između grafita i otopine veziva; ima snažan učinak protiv pjenjenja; lako katalizira unakrsno-povezivanje vezivne mreže i poboljšava snagu lijepljenja.
Etanol: Slabo polarna tvar; nakon dodavanja, može smanjiti polaritet otopine veziva, poboljšati kompatibilnost između grafita i otopine veziva; ima snažan učinak protiv pjenjenja; lako katalizira linearno poprečno-povezivanje veziva i poboljšava čvrstoću vezivanja (funkcije izopropanola i etanola su u biti iste; kada se-proizvodi masovno, faktori troškova mogu se uzeti u obzir kako bi se odabralo koje dodati).
Vezivo-na bazi vode (SBR): spaja grafit, vodljivo sredstvo, aditive i bakrenu foliju ili bakrenu mrežu zajedno; linearna lančana emulzijska molekula, izrazito topiva u vodi i polarnim otapalima.
Deionizirana voda (ili destilirana voda): Razrjeđivač, dodan u odgovarajućoj količini, može promijeniti fluidnost kaše.
Anodni jezičak: Izrađen od bakrene folije ili bakrene trake.
