Početna stranica / Блог / Индустрија / Развој литијумских батерија

Развој литијумских батерија

КСНУМКС Окт, КСНУМКС

By хоппт

Порекло батеријског уређаја може почети са открићем Лајденске боце. Лајденску боцу је први изумео холандски научник Пиетер ван Муссцхенброек 1745. Лејденска тегла је примитивни кондензаторски уређај. Састоји се од два метална лима одвојена изолатором. Метална шипка изнад се користи за складиштење и ослобађање пуњења. Када додирнете штап Када се користи метална кугла, Леиден боца може задржати или уклонити унутрашњу електричну енергију, а њен принцип и припрема су једноставни. Сви заинтересовани могу је сами направити код куће, али је појава самопражњења јача због једноставног водича. Генерално, сва електрична енергија ће се испразнити за неколико сати до неколико дана. Међутим, појава Лајденске боце означава нову фазу у истраживању електричне енергије.

Леиденска боца

1790-их, италијански научник Луиђи Галвани открио је употребу жица од цинка и бакра за повезивање жабљих ногу и открио да се жабљи кракови трзају, па је предложио концепт „биоелектричности“. Ово откриће је изазвало трзање италијанског научника Алесандра. Волтин приговор, Волта верује да трзање жабљих ногу потиче од електричне струје коју генерише метал, а не од електричне струје на жаби. Да би побио Галванијеву теорију, Волта је предложио свој чувени Волта Стацк. Напонски димњак се састоји од цинк и бакра са картоном натопљеном сланом водом између. Ово је предложени прототип хемијске батерије.
Једначина реакције електроде волтаичне ћелије:

позитивна електрода: 2Х^++2е^-→Х_2

негативна електрода: Зн→〖Зн〗^(2+)+2е^-

Волтаиц стацк

Године 1836, британски научник Џон Фредерик Данијел изумео је Даниел батерију да реши проблем мехурића ваздуха у батерији. Даниел батерија има примарни облик модерне хемијске батерије. Састоји се из два дела. Позитивни део је уроњен у раствор бакар сулфата. Други део бакра је цинк уроњен у раствор цинк сулфата. Оригинална Даниел батерија је напуњена раствором бакар сулфата у бакарној тегли и уметнута керамички порозни цилиндрични контејнер у центар. У овој керамичкој посуди налази се цинк штап и цинк сулфат као негативна електрода. У раствору, мале рупе у керамичкој посуди омогућавају два кључа да размењују јоне. Модерне Даниел батерије углавном користе слане мостове или полупропусне мембране да би постигли овај ефекат. Даниел батерије су коришћене као извор напајања за телеграфску мрежу све док их нису замениле суве батерије.

Једначина реакције електроде Даниел батерије:

Позитивна електрода: 〖Цу〗^(2+)+2е^-→Цу

негативна електрода: Зн→〖Зн〗^(2+)+2е^-

Даниел батерија

До сада је утврђен примарни облик батерије који укључује позитивну електроду, негативну електроду и електролит. На таквој основи, батерије су се брзо развијале у наредних 100 година. Појавили су се многи нови системи батерија, укључујући и француски научник Гастон Планте који је 1856. године изумео оловне батерије. Оловне батерије Његова велика излазна струја и ниска цена привукли су широку пажњу, па се користи у многим мобилним уређајима, као што су рани електрични возила. Често се користи као резервно напајање за неке болнице и базне станице. Оловне батерије се углавном састоје од олова, оловног диоксида и раствора сумпорне киселине, а њихов напон може достићи око 2В. Чак иу модерним временима, оловно-киселинске батерије нису елиминисане због њихове зреле технологије, ниске цене и сигурнијих система на бази воде.

Једначина реакције електроде оловно-киселинске батерије:

Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O

Негативна електрода: Пб+〖СО〗_4^(2-)→Пб〖СО〗_4+2е^-

Оловне батерије

Никл-кадмијум батерија, коју је изумео шведски научник Валдемар Јунгнер 1899. године, више се користи у малим мобилним електронским уређајима, као што су рани вокмени, због веће густине енергије од оловних батерија. Слично оловним батеријама. Никл-кадмијум батерије су такође биле у широкој употреби од 1990-их, али је њихова токсичност релативно висока, а сама батерија има специфичан меморијски ефекат. Због тога често чујемо неке старије одрасле особе како кажу да се батерија мора потпуно испразнити пре поновног пуњења и да ће истрошене батерије контаминирати земљу, итд. (Имајте на уму да су чак и тренутне батерије веома токсичне и да их не треба свуда одлагати, али тренутне литијумске батерије немају користи од меморије, а прекомерно пражњење је штетно за животни век батерије.) Никл-кадмијумске батерије су више штетне по животну средину, а њихове унутрашњи отпор ће се мењати са температуром, што може проузроковати оштећење услед превелике струје током пуњења. Никл-водоникове батерије су га постепено елиминисале око 2005. До сада су се никл-кадмијумске батерије ретко виђале на тржишту.

Једначина реакције електроде никл-кадмијум батерије:

Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2

Негативна електрода: Цд+2ОХ^-→Цд〖(ОХ)〗_2+2е^-

Никл-кадмијум батерије

Степен литијум металне батерије

Шездесетих година прошлог века људи су коначно званично ушли у еру литијумских батерија.

Сам литијум метал је откривен 1817. године и људи су убрзо схватили да се физичка и хемијска својства литијумског метала инхерентно користе као материјали за батерије. Има малу густину (0.534г 〖цм〗^(-3)), велики капацитет (теоретски до 3860мАх г^(-1)) и низак потенцијал (-3.04В у поређењу са стандардном водоничном електродом). Ово скоро да говори људима да сам ја материјал негативне електроде идеалне батерије. Међутим, сам литијум метал има огромне проблеме. Превише је активан, бурно реагује са водом и има високе захтеве према радном окружењу. Стога су људи дуго времена били беспомоћни у томе.

Године 1913. Луис и Кеиз су измерили потенцијал литијум металне електроде. И спровео тест батерије са литијум јодидом у раствору пропиламина као електролитом, иако није успео.

Године 1958. Вилијам Сидни Харис је у својој докторској тези поменуо да је ставио метал литијум у различите органске естарске растворе и приметио формирање низа пасивационих слојева (укључујући метални литијум у перхлорној киселини). Литијум ЛиЦлО_4

Уочен је феномен у ПЦ раствору пропилен карбоната, а ово решење је витални електролитни систем у литијумским батеријама у будућности), а уочен је и специфичан феномен јонске трансмисије, па су на основу овога урађени неки прелиминарни експерименти електродепозиције. Ови експерименти су званично довели до развоја литијумских батерија.

Године 1965. НАСА је спровела детаљну студију о феномену пуњења и пражњења Ли||Цу батерија у растворима литијум перхлоратног рачунара. Други системи електролита, укључујући анализу ЛиБФ_4, ЛиИ, ЛиАл〖Цл〗_4, ЛиЦл, ово истраживање је изазвало велико интересовање за органске електролитне системе.

Године 1969. патент је показао да је неко почео да покушава да комерцијализује батерије са органским раствором користећи метале литијум, натријум и калијум.

Јапанска Панасониц Цорпоратион је 1970. године измислила Ли‖ЦФ_к ┤ батерију, где је однос к генерално 0.5-1. ЦФ_к је флуороугљеник. Иако је гас флуор веома токсичан, сам флуороугљеник је сивобели нетоксичан прах. Појава Ли‖ЦФ_к ┤ батерије може се рећи да је прва права комерцијална литијумска батерија. Ли‖ЦФ_к┤ батерија је примарна батерија. Ипак, његов капацитет је огроман, теоретски капацитет је 865 мАх 〖Кг〗^(-1), а напон пражњења је веома стабилан на дугом домету. Дакле, снага је стабилна, а појава самопражњења мала. Али има страшне перформансе и не може се наплатити. Због тога се генерално комбинује са манган диоксидом за прављење Ли‖ЦФ_к ┤-МнО_2 батерија, које се користе као унутрашње батерије за неке мале сензоре, сатове, итд., и нису елиминисане.

Позитивна електрода: ЦФ_к+ке^-+к〖Ли〗^+→Ц+кЛиФ

Негативна електрода: Ли→〖Ли〗^++е^-

Шема Ли||ЦФк батерије

Јапанска корпорација Санио је 1975. године изумела Ли‖МнО_2 ┤ батерију, која се први пут користила у соларним калкулаторима који се могу пунити. Ово се може сматрати првом литијумском батеријом која се може пунити. Иако је у Јапану у то време овај производ имао велики успех, људи нису имали дубоко разумевање таквог материјала и нису познавали његов литијум и манган диоксид. Који разлог стоји иза реакције?

Скоро у исто време, Американци су тражили батерију за вишекратну употребу, коју сада називамо секундарном батеријом.

Године 1972, МБАрманд (имена неких научника нису преведена на почетку) предложио је у раду конференције М_(0.5) Фе〖(ЦН)〗_3 (где је М алкални метал) и друге материјале пруске плаве структуре. , И проучавао њен феномен интеркалације јона. А 1973. Ј. Броадхеад и други из Белл Лабс-а проучавали су феномен интеркалације атома сумпора и јода у металним дихалкогенидима. Ове прелиминарне студије о феномену интеркалације јона су најважнија покретачка снага за постепени напредак литијумских батерија. Првобитно истраживање је прецизно због ових студија да касније литијум-јонске батерије постају могуће.


Године 1975. Мартин Б. Динес из Еккон-а (претходник Еккон Мобил-а) је спровео прелиминарне прорачуне и експерименте о интеркалацији између серије дихалкогенида прелазних метала и алкалних метала и исте године, Еккон је друго име. Научник МС Вхиттингхам је објавио патент на Ли‖ТиС_2 ┤ базену. А 1977. године, Екоон је комерцијализовао батерију засновану на Ли-Ал‖ТиС_2┤, у којој легура литијум алуминијума може побољшати безбедност батерије (иако још увек постоји значајнији ризик). Након тога, такве системе батерија је сукцесивно користио Евереади у Сједињеним Државама. Комерцијализација Баттери Цомпани и Граце Цомпани. Ли‖ТиС_2 ┤ батерија може бити прва секундарна литијумска батерија у правом смислу, а такође је била и најтоплији систем батерија у то време. У то време, његова густина енергије била је око 2-3 пута већа од оловних батерија.

Шематски дијаграм ране Ли||ТиС2 батерије

Позитивна електрода: ТиС_2+ке^-+к〖Ли〗^+→〖Ли〗_к ТиС_2

Негативна електрода: Ли→〖Ли〗^++е^-

У исто време, канадски научник МА Пи изумео је Ли‖МоС_2┤ батерију 1983. године, која може имати густину енергије од 60-65Вх 〖Кг〗^(-1) на 1/3Ц, што је еквивалентно Ли‖ТиС_2┤ батерија. На основу тога, 1987. године, канадска компанија Моли Енерги лансирала је заиста екстензивно комерцијализовану литијумску батерију, која је била веома тражена широм света. Ово је требало да буде историјски значајан догађај, али иронија је у томе што је после тога проузроковао и пад Молија. Затим је у пролеће 1989. компанија Моли лансирала своју другу генерацију Ли‖МоС_2┤ батерија. Крајем пролећа 1989. Молијева прва генерација Ли‖МоС_2┤ батерија је експлодирала и изазвала панику великих размера. У лето исте године сви производи су повучени, а страдалима је обештећена. Крајем исте године Моли Енерги је прогласила банкрот и купила га је јапанска НЕЦ у пролеће 1990. Вреди напоменути да се прича да је Џеф Дан, тадашњи канадски научник, водио пројекат батерија у Молију. Енерги и дао оставку због његовог противљења наставку листинга Ли‖МоС_2 ┤ батерија.

Позитивна електрода: МоС_2+ке^-+к〖Ли〗^+→〖Ли〗_к МоС_2

Негативна електрода: Ли→〖Ли〗^++е^-

Тајван је купио тренутну батерију 18650 коју производи Моли Енерги

До сада су литијум-металне батерије постепено напуштале вид јавности. Можемо видети да су у периоду од 1970. до 1980. године истраживања научника на литијумским батеријама била углавном усмерена на катодне материјале. Коначни циљ је увек фокусиран на дихалкогениде прелазних метала. Због њихове слојевите структуре (дихалкогениди прелазних метала су сада широко проучавани као дводимензионални материјал), њихови слојеви и Има довољно празнина између слојева да се прилагоди убацивању литијум јона. У то време је било премало истраживања анодних материјала током овог периода. Иако су се неке студије фокусирале на легирање метала литијума како би се побољшала његова стабилност, сам литијум метал је превише нестабилан и опасан. Иако је експлозија Молијеве батерије била догађај који је шокирао свет, било је много случајева експлозије литијум металних батерија.

Штавише, људи нису добро познавали узрок експлозије литијумских батерија. Поред тога, метал литијум се некада сматрао незаменљивим материјалом негативних електрода због својих добрих својстава. Након експлозије Молијеве батерије, прихватање литијум-металних батерија нагло је пало, а литијумске батерије су ушле у мрачни период.

Да би имали сигурнију батерију, људи морају почети са штетним материјалом електроде. Ипак, овде постоји низ проблема: потенцијал метала литијума је плитак, а употреба других сложених негативних електрода ће повећати потенцијал негативне електроде, а на овај начин ће се смањити литијумске батерије. Укупна разлика потенцијала ће се смањити, што ће смањити густина енергије олује. Због тога научници морају пронаћи одговарајући високонапонски катодни материјал. У исто време, електролит батерије мора да одговара позитивним и негативним напонима и стабилности циклуса. Истовремено, отпорност на топлоту електролита И је боља. Ова серија питања дуго је збуњивала научнике да пронађу задовољавајући одговор.

Први проблем који научници морају да реше је проналажење безбедног, штетног материјала за електроде који може да замени метал литијум. Метални литијум сам по себи има превише хемијске активности, а низ проблема са растом дендрита је био превише оштар за окружење и услове употребе, и није безбедан. Графит је сада главни део негативне електроде литијум-јонских батерија, а његова примена у литијумским батеријама проучавана је још 1976. Године 1976. Бесенхард, ЈО је спровео детаљнију студију о електрохемијској синтези ЛиЦ_Р. Међутим, иако графит има одлична својства (високу проводљивост, велики капацитет, низак потенцијал, инертност, итд.), у то време, електролит који се користи у литијумским батеријама је генерално ПЦ раствор ЛиЦлО_4 који је горе поменут. Графит има значајан проблем. У недостатку заштите, ПЦ молекули електролита ће такође ући у графитну структуру са литијум-јонском интеркалацијом, што ће резултирати смањењем перформанси циклуса. Стога научници у то време нису фаворизовали графит.

Што се тиче катодног материјала, након истраживања степена литијум-металне батерије, научници су открили да је сам материјал литијумске аноде такође материјал за складиштење литијума са добром реверзибилношћу, као што је ЛиТиС_2,〖Ли〗_к В〖Се〗_2 (к =1,2) и тако даље, а на основу тога су развијени 〖Ли〗_к В_2 О_5 (0.35≤к<3), ЛиВ_2 О_8 и други материјали. Научници су се постепено упознали са различитим 1-димензионалним јонским каналима (1Д), 2-димензионалном слојевитом интеркалацијом јона (2Д) и 3-димензионалним структурама мреже за пренос јона.

Најпознатије истраживање професора Јохна Б. Гооденоугха о ЛиЦоО_2 (ЛЦО) такође се догодило у то време. Године 1979. Гооденоугд ет ал. су инспирисани чланком о структури НаЦоО_2 1973. године и открили су ЛЦО и објавили чланак о патенту. ЛЦО има слојевиту интеркалну структуру сличну дисулфидима прелазних метала, у које се литијум јони могу реверзибилно убацити и екстраховати. Ако се литијум јони потпуно екстрахују, формираће се збијена структура ЦоО_2 и може се поново убацити са литијум јонима за литијум (Наравно, стварна батерија неће дозволити да се литијум јони у потпуности екстрахују, што проузроковаће брзо пропадање капацитета). Године 1986, Акира Иосхино, који је још увек радио у Асахи Касеи Цорпоратион у Јапану, комбиновао је три ЛЦО, кокс и ЛиЦлО_4 ПЦ решење по први пут, поставши прва модерна литијум-јонска секундарна батерија и садашњи литијум Камен темељац за батерија. Сони је брзо приметио "довољно добар" ЛЦО патент старца и добио дозволу да га користи. Године 1991. комерцијализовао је ЛЦО литијум-јонску батерију. Концепт литијум-јонске батерије такође се појавио у ово време, а његова идеја се наставља и данас. (Вреди напоменути да Сонијеве литијум-јонске батерије прве генерације и Акира Иосхино такође користе тврди угљеник као негативну електроду уместо графита, а разлог је тај што рачунар изнад има интеркалацију у графиту)

Позитивна електрода: 6Ц+ке^-+к〖Ли〗^+→〖Ли〗_к Ц_6

Негативна електрода: ЛиЦоО_2→〖Ли〗_(1-к) ЦоО_2+к〖Ли〗^++ке^-

Експонати прве генерације Сони литијум-јонских батерија

С друге стране, 1978. Арманд, М. је предложио употребу полиетилен гликола (ПЕО) као чврстог полимерног електролита да би се решио горњи проблем да се графитна анода лако уграђује у молекуле ПЦ растварача (главни електролит у то време још увек користи ПЦ, ДЕЦ микед солутион), који је по први пут ставио графит у систем литијумских батерија, и предложио концепт батерије за љуљање (љуљачка) у наредној години. Такав концепт се наставио до данас. Садашњи системи електролита, као што су ЕД/ДЕЦ, ЕЦ/ДМЦ, итд., тек су се полако појавили 1990-их и од тада су у употреби.

Током истог периода, научници су истраживали и низ батерија: Ли‖Нб〖Се〗_3 ┤ батерије, Ли‖В〖СЕ〗_2 ┤ батерије, Ли‖〖Аг〗_2 В_4 ┤ О_11 батерије, Ли․ЦуО батерије Ли ‖И_2 ┤Батерије итд., јер су сада мање вредне, а нема много врста истраживања па их нећу детаљно представљати.

Ера развоја литијум-јонских батерија после 1991. године је ера у којој се сада налазимо. Овде нећу детаљно сумирати процес развоја, већ ћу укратко представити хемијски систем неколико литијум-јонских батерија.

Увод у тренутне системе литијум-јонских батерија, ево следећег дела.

цлосе_вхите
близу

Напишите упит овде

одговорите у року од 6 сати, сва питања су добродошла!

    [цласс^="впформс-"]
    [цласс^="впформс-"]