Lítiová batéria je typ batérie, ktorý ako materiál zápornej elektródy používa lítium kov alebo zliatinu lítia a používa nevodný roztok elektrolytu.Najstaršia prezentovaná lítiová batéria pochádza od veľkého vynálezcu Edisona.
Lítiové batérie – Lítiové batérie
lítiová batéria
Lítiová batéria je typ batérie, ktorý ako materiál zápornej elektródy používa lítium kov alebo zliatinu lítia a používa nevodný roztok elektrolytu.Najstaršia prezentovaná lítiová batéria pochádza od veľkého vynálezcu Edisona.
Pretože chemické vlastnosti kovového lítia sú veľmi aktívne, spracovanie, skladovanie a aplikácia kovového lítia má veľmi vysoké environmentálne požiadavky.Lítiové batérie sa preto už dlho nepoužívajú.
S rozvojom technológie mikroelektroniky v dvadsiatom storočí sa miniaturizované zariadenia každým dňom zvyšujú, čo kladie vysoké požiadavky na napájanie.Lítiové batérie potom vstúpili do rozsiahlej praktickej fázy.
Prvýkrát bol použitý v kardiostimulátoroch.Pretože rýchlosť samovybíjania lítiových batérií je extrémne nízka, vybíjacie napätie je strmé.Umožňuje implantovať kardiostimulátor do ľudského tela na dlhú dobu.
Lítiové batérie majú vo všeobecnosti menovité napätie vyššie ako 3,0 voltov a sú vhodnejšie pre napájacie zdroje integrovaných obvodov.Batérie oxidu manganičitého sa široko používajú v počítačoch, kalkulačkách, fotoaparátoch a hodinkách.
S cieľom vyvinúť odrody s lepším výkonom boli študované rôzne materiály.A potom vyrábať produkty ako nikdy predtým.Napríklad lítium-oxidové batérie a lítium-tionylchloridové batérie sú veľmi charakteristické.Ich pozitívny aktívny materiál je tiež rozpúšťadlom pre elektrolyt.Táto štruktúra je prítomná iba v nevodných elektrochemických systémoch.Preto štúdium lítiových batérií podporilo aj rozvoj elektrochemickej teórie nevodných systémov.Okrem použitia rôznych nevodných rozpúšťadiel sa uskutočnil aj výskum polymérových tenkovrstvových batérií.
V roku 1992 spoločnosť Sony úspešne vyvinula lítium-iónové batérie.Jeho praktické využitie výrazne znižuje hmotnosť a objem prenosných elektronických zariadení, ako sú mobilné telefóny a notebooky.Doba používania sa výrazne predlžuje.Pretože lítium-iónové batérie neobsahujú ťažký kov chróm, v porovnaní s niklovo-chrómovými batériami je znečistenie životného prostredia výrazne znížené.
1. Lítium-iónová batéria
Lítium-iónové batérie sú teraz rozdelené do dvoch kategórií: tekuté lítium-iónové batérie (LIB) a polymérové lítium-iónové batérie (PLB).Medzi nimi tekutá lítium-iónová batéria označuje sekundárnu batériu, v ktorej je Li + interkalačná zlúčenina kladnými a zápornými elektródami.Kladná elektróda vyberá zlúčeninu lítia LiCoO2 alebo LiMn2O4 a záporná elektróda vyberá medzivrstvovú zlúčeninu lítium-uhlík.Lítium-iónové batérie sú ideálnou hnacou silou pre vývoj v 21. storočí kvôli ich vysokému prevádzkovému napätiu, malým rozmerom, nízkej hmotnosti, vysokej spotrebe energie, bez pamäťového efektu, bez znečistenia, nízkemu samovybíjaniu a dlhej životnosti.
2. Stručná história vývoja lítium-iónových batérií
Lítiové batérie a lítium-iónové batérie sú nové vysokoenergetické batérie úspešne vyvinuté v 20. storočí.Záporná elektróda tejto batérie je kovové lítium a kladná elektróda je MnO2, SOCL2, (CFx)n atď. Do praktického používania sa dostala v 70. rokoch 20. storočia.Vďaka svojej vysokej energii, vysokému napätiu batérie, širokému rozsahu prevádzkových teplôt a dlhej skladovateľnosti sa čiastočne používa vo vojenských a civilných malých elektrických spotrebičoch, ako sú mobilné telefóny, prenosné počítače, videokamery, fotoaparáty atď. výmena tradičných batérií..
3. Perspektívy vývoja lítium-iónových batérií
Lítium-iónové batérie sa vďaka svojim jedinečným funkčným výhodám široko používajú v prenosných zariadeniach, ako sú prenosné počítače, videokamery a mobilná komunikácia.Teraz vyvinutá veľkokapacitná lítium-iónová batéria bola testovaná v elektrických vozidlách a odhaduje sa, že sa stane jedným z primárnych zdrojov energie pre elektrické vozidlá v 21. storočí a bude sa používať v satelitoch, letectve a skladovaní energie. .
4. Základná funkcia batérie
(1) Napätie batérie naprázdno
(2) Vnútorný odpor batérie
(3) Prevádzkové napätie batérie
(4) Nabíjacie napätie
Nabíjacie napätie sa vzťahuje na napätie aplikované na oba konce batérie externým zdrojom napájania, keď sa nabíja sekundárna batéria.Medzi základné spôsoby nabíjania patrí nabíjanie konštantným prúdom a nabíjanie konštantným napätím.Vo všeobecnosti sa používa nabíjanie konštantným prúdom a jeho charakteristikou je, že nabíjací prúd je počas procesu nabíjania stabilný.Ako nabíjanie postupuje, aktívny materiál sa obnovuje, reakčná oblasť elektród sa neustále znižuje a polarizácia motora sa postupne zvyšuje.
(5) Kapacita batérie
Kapacita batérie sa vzťahuje na množstvo elektriny získanej z batérie, ktoré sa zvyčajne vyjadruje v C a jednotka je zvyčajne vyjadrená v Ah alebo mAh.Kapacita je dôležitým cieľom elektrického výkonu batérie.Kapacita batérie sa zvyčajne delí na teoretickú kapacitu, praktickú kapacitu a menovitú kapacitu.
Kapacita batérie je určená kapacitou elektród.Ak nie sú kapacity elektród rovnaké, kapacita batérie závisí od elektródy s menšou kapacitou, ale v žiadnom prípade nejde o súčet kapacít kladných a záporných elektród.
(6) Skladovacia funkcia a životnosť batérie
Jednou z primárnych vlastností chemických zdrojov energie je, že môžu uvoľňovať elektrickú energiu, keď sa používajú, a uchovávať elektrickú energiu, keď sa nepoužívajú.Takzvaná akumulačná funkcia je schopnosť udržiavať nabíjanie sekundárnej batérie.
Pokiaľ ide o sekundárnu batériu, životnosť je dôležitým parametrom na meranie výkonu batérie.Sekundárna batéria sa nabije a vybije raz, čo sa nazýva cyklus (alebo cyklus).Pri určitom kritériu nabíjania a vybíjania sa počet nabíjacích a vybíjacích časov, ktoré batéria vydrží, kým kapacita batérie dosiahne určitú hodnotu, nazýva prevádzkový cyklus sekundárnej batérie.Lítium-iónové batérie majú vynikajúci skladovací výkon a dlhú životnosť.
Lítiové batérie – vlastnosti
A. Vysoká hustota energie
Hmotnosť lítium-iónovej batérie je polovičná v porovnaní s nikel-kadmiovou alebo nikel-vodíkovou batériou s rovnakou kapacitou a objem je 40-50% nikel-kadmiovej a 20-30% nikel-vodíkovej batérie .
B. Vysoké napätie
Prevádzkové napätie jednej lítium-iónovej batérie je 3,7 V (priemerná hodnota), čo zodpovedá trom nikel-kadmiovým alebo nikel-metal hydridovým batériám zapojeným do série.
C. Žiadne znečistenie
Lítium-iónové batérie neobsahujú škodlivé kovy ako kadmium, olovo a ortuť.
D. Neobsahuje kovové lítium
Lítium-iónové batérie neobsahujú kovové lítium, a preto nepodliehajú predpisom, ako je zákaz prepravy lítiových batérií v osobných lietadlách.
E. Vysoká životnosť cyklu
Za normálnych podmienok môžu mať lítium-iónové batérie viac ako 500 cyklov nabitia a vybitia.
F. Žiadny pamäťový efekt
Pamäťový efekt označuje jav, že kapacita nikel-kadmiovej batérie sa počas cyklu nabíjania a vybíjania znižuje.Lítium-iónové batérie tento efekt nemajú.
G. Rýchle nabíjanie
Pomocou nabíjačky s konštantným prúdom a konštantným napätím s menovitým napätím 4,2 V je možné lítium-iónovú batériu plne nabiť za jednu až dve hodiny.
Lítiová batéria – princíp a štruktúra lítiovej batérie
1. Štruktúra a princíp fungovania lítium-iónovej batérie: Takzvaná lítium-iónová batéria označuje sekundárnu batériu zloženú z dvoch zlúčenín, ktoré môžu reverzibilne interkalovať a deinterkalovať lítium-iónové ióny ako kladné a záporné elektródy.Ľudia nazývajú túto lítium-iónovú batériu s jedinečným mechanizmom, ktorý sa spolieha na prenos lítiových iónov medzi kladnými a zápornými elektródami na dokončenie operácie nabíjania a vybíjania batérie, ako „batéria hojdacieho kresla“, bežne známa ako „lítiová batéria“ .Zoberme si ako príklad LiCoO2: (1) Keď je batéria nabitá, lítiové ióny sú deinterkalované z kladnej elektródy a interkalované do zápornej elektródy a naopak pri vybíjaní.To vyžaduje, aby bola elektróda pred montážou v stave interkalácie lítia.Vo všeobecnosti sa ako kladná elektróda vyberie interkalačný oxid prechodného kovu s lítiom s potenciálom väčším ako 3 V vzhľadom na lítium a stabilný na vzduchu, ako je LiCo02, LiNi02, LiMn204, LiFeP04.(2) Pre materiály, ktoré sú zápornými elektródami, vyberte interkalovateľné zlúčeniny lítia, ktorých potenciál je čo najbližšie k potenciálu lítia.Napríklad rôzne uhlíkové materiály zahŕňajú prírodný grafit, syntetický grafit, uhlíkové vlákna, mezofázový sférický uhlík atď. a oxidy kovov vrátane SnO, SnO2, kompozitný oxid cínu SnBxPyOz (x=0,4～0,6, y=0,6～0,4, z= (2+3x+5r)/2) atď.
lítiová batéria
2. Batéria vo všeobecnosti obsahuje: kladný, záporný, elektrolyt, separátor, kladné olovo, zápornú dosku, centrálnu svorku, izolačný materiál (izolátor), bezpečnostný ventil (bezpečnostný ventil), tesniaci krúžok (tesnenie), PTC (kladnú svorku na reguláciu teploty), puzdro na batérie.Vo všeobecnosti sa ľudia viac zaujímajú o kladnú elektródu, zápornú elektródu a elektrolyt.
lítiová batéria
Porovnanie štruktúry lítium-iónovej batérie
Podľa rôznych materiálov katódy sa delí na lítium železa, lítium kobaltu, lítium mangánu atď .;
Z klasifikácie tvaru sa vo všeobecnosti delí na valcové a štvorcové a polymérne lítiové ióny môžu byť tiež vyrobené do akéhokoľvek tvaru;
Podľa rôznych materiálov elektrolytov používaných v lítium-iónových batériách možno lítium-iónové batérie rozdeliť do dvoch kategórií: tekuté lítium-iónové batérie (LIB) a polovodičové lítium-iónové batérie.PLIB) je druh polovodičovej lítium-iónovej batérie.
elektrolyt
Zberač prúdu s bariérou plášťa/balíka
Tekutá lítium-iónová batéria Tekutá nehrdzavejúca oceľ, hliníková 25μPE medená fólia a hliníková fólia polymérová lítium-iónová batéria koloidný polymérový hliník/PP kompozitný film bez bariéry alebo jedna μPE medená fólia a hliníková fólia
Lítiové batérie – funkcia lítium-iónových batérií
1. Vysoká hustota energie
V porovnaní s batériami NI/CD alebo NI/MH s rovnakou kapacitou sú lítium-iónové batérie ľahšie a ich objemová špecifická energia je 1,5 až 2-krát väčšia ako energia týchto dvoch typov batérií.
2. Vysoké napätie
Lítium-iónové batérie používajú vysoko elektronegatívne lítiové elektródy s obsahom prvkov na dosiahnutie koncového napätia až 3,7 V, čo je trojnásobok napätia batérií NI/CD alebo NI/MH.
3. Neznečisťujúce, šetrné k životnému prostrediu
4. Dlhá životnosť cyklu
Životnosť presahuje 500-krát
5. Vysoká nosnosť
Lítium-iónové batérie je možné nepretržite vybíjať veľkým prúdom, takže túto batériu možno použiť vo vysokovýkonných zariadeniach, ako sú fotoaparáty a prenosné počítače.
6. Výborná bezpečnosť
Vďaka použitiu vynikajúcich anódových materiálov je prekonaný problém rastu lítiového dendritu počas nabíjania batérie, čo výrazne zlepšuje bezpečnosť lítium-iónových batérií.Zároveň sa vyberá špeciálne obnoviteľné príslušenstvo, ktoré zaisťuje bezpečnosť batérie počas používania.
Lítiová batéria – spôsob nabíjania lítium-iónovej batérie
Metóda 1. Predtým, ako lítium-iónová batéria opustí továreň, výrobca vykonal aktivačné ošetrenie a prednabil ju, takže lítium-iónová batéria má zvyškovú energiu a lítium-iónová batéria sa nabíja podľa doby nastavenia.Toto nastavovacie obdobie je potrebné vykonať 3 až 5 krát úplne.Vypúšťanie.
Metóda 2. Pred nabíjaním nie je potrebné lítium-iónovú batériu špeciálne vybíjať.Nesprávne vybitie poškodí batériu.Pri nabíjaní skúste použiť pomalé nabíjanie a znížte rýchle nabíjanie;čas by nemal presiahnuť 24 hodín.Až po troch až piatich úplných cykloch nabitia a vybitia batérie budú jej vnútorné chemikálie plne „aktivované“ pre optimálne využitie.
Metóda 3. Použite prosím originálnu nabíjačku alebo nabíjačku renomovanej značky.Pre lítiové batérie použite špeciálnu nabíjačku pre lítiové batérie a postupujte podľa pokynov.V opačnom prípade sa batéria poškodí alebo dokonca ohrozí.
Metóda 4. Novo zakúpená batéria je lítium-iónová, takže prvé 3 až 5 nabitie sa vo všeobecnosti nazýva obdobie úpravy a malo by sa nabíjať dlhšie ako 14 hodín, aby sa zabezpečila úplná aktivácia aktivity lítiových iónov.Lítium-iónové batérie nemajú pamäťový efekt, ale majú silnú inertnosť.Mali by byť plne aktivované, aby sa zabezpečil najlepší výkon v budúcich aplikáciách.
Metóda 5. Lítium-iónová batéria musí používať špeciálnu nabíjačku, inak nemusí dosiahnuť stav nasýtenia a ovplyvniť jej funkciu.Po nabití neumiestňujte batériu na nabíjačku na viac ako 12 hodín a odpojte batériu od mobilného elektronického produktu, keď sa dlhší čas nepoužíva.
Lítiová batéria – použitie
S rozvojom technológie mikroelektroniky v dvadsiatom storočí sa miniaturizované zariadenia každým dňom zvyšujú, čo kladie vysoké požiadavky na napájanie.Lítiové batérie potom vstúpili do rozsiahlej praktickej fázy.
Prvýkrát bol použitý v kardiostimulátoroch.Pretože rýchlosť samovybíjania lítiových batérií je extrémne nízka, vybíjacie napätie je strmé.Umožňuje implantovať kardiostimulátor do ľudského tela na dlhú dobu.
Lítiové batérie majú vo všeobecnosti menovité napätie vyššie ako 3,0 voltov a sú vhodnejšie pre napájacie zdroje integrovaných obvodov.Batérie oxidu manganičitého sa široko používajú v počítačoch, kalkulačkách, fotoaparátoch a hodinkách.
Príklad aplikácie
1. Existuje mnoho batériových jednotiek ako náhrady za opravy batériových jednotiek: napríklad tie, ktoré sa používajú v prenosných počítačoch.Po oprave sa zistí, že keď je táto batéria poškodená, problémy majú len jednotlivé batérie.Dá sa nahradiť vhodnou jednočlánkovou lítiovou batériou.
2. Výroba vysokosvietivej miniatúrnej baterky Autor kedysi použil jednu lítiovú batériu 3,6V1,6AH s bielou supersvietivou trubicou vyžarujúcou svetlo na výrobu miniatúrnej baterky, ktorá sa ľahko používa, je kompaktná a krásna.A vďaka veľkej kapacite batérie sa dá používať v priemere každú noc pol hodiny a bez nabíjania sa používa viac ako dva mesiace.
3. Alternatívne napájanie 3V
Pretože napätie jednočlánkovej lítiovej batérie je 3,6V.Len jedna lítiová batéria teda dokáže nahradiť dve bežné batérie na napájanie malých domácich spotrebičov, ako sú rádiá, walkmany, fotoaparáty atď., čo je nielen ľahké, ale aj dlho vydrží.
Materiál anódy lítium-iónovej batérie – titaničitan lítny
Môže sa kombinovať s manganátom lítnym, ternárnymi materiálmi alebo fosforečnanom lítno-železitým a inými pozitívnymi materiálmi na vytvorenie 2,4V alebo 1,9V lítium-iónových sekundárnych batérií.Okrem toho sa môže použiť aj ako kladná elektróda na vytvorenie 1,5 V lítiovej batérie so sekundárnou batériou s kovovou lítiou alebo zliatinou lítia so zápornou elektródou.
Vzhľadom na vysokú bezpečnosť, vysokú stabilitu, dlhú životnosť a zelené vlastnosti titaničitanu lítneho.Dá sa predpovedať, že materiál titaničitanu lítneho sa za 2-3 roky stane negatívnym elektródovým materiálom novej generácie lítium-iónových batérií a bude široko používaný v nových motorových vozidlách, elektrických motocykloch a tých, ktoré vyžadujú vysokú bezpečnosť, vysokú stabilitu a dlhý cyklus.oblasť použitia.Prevádzkové napätie lítium-titanátovej batérie je 2,4 V, najvyššie napätie je 3,0 V a nabíjací prúd je až 2C.
Zloženie lítium-titanátovej batérie
Pozitívna elektróda: fosforečnan lítno-železitý, manganistan lítny alebo ternárny materiál, manganistan lítium-nikel.
Záporná elektróda: materiál titaničitan lítny.
Bariéra: Súčasná bariéra lítiovej batérie s uhlíkom ako zápornou elektródou.
Elektrolyt: Elektrolyt lítiovej batérie s uhlíkom ako zápornou elektródou.
Puzdro na batériu: Puzdro na lítiovú batériu s uhlíkom ako zápornou elektródou.
Výhody lítium-titanátových batérií: výber elektrických vozidiel ako náhrady za vozidlá na palivo je najlepšou voľbou na vyriešenie znečistenia životného prostredia v mestách.Medzi nimi lítium-iónové batérie pritiahli veľkú pozornosť výskumníkov.S cieľom splniť požiadavky elektrických vozidiel na palubné lítium-iónové napájacie batérie, výskum a vývoj Negatívne materiály s vysokou bezpečnosťou, dobrým rýchlostným výkonom a dlhou životnosťou sú jej horúcimi miestami a ťažkosťami.
Komerčné záporné elektródy lítium-iónových batérií používajú hlavne uhlíkové materiály, ale stále existujú určité nevýhody pri aplikácii lítiových batérií používajúcich uhlík ako zápornú elektródu:
1. Lítiové dendrity sa pri prebíjaní ľahko vyzrážajú, čo vedie ku skratu batérie a ovplyvňuje bezpečnostnú funkciu lítiovej batérie;
2. Je ľahké vytvoriť film SEI, čo vedie k nízkemu počiatočnému nabíjaniu a vybíjaniu a veľkej nevratnej kapacite;
3. To znamená, že napätie platformy uhlíkových materiálov je nízke (blízke kovovému lítiu) a je ľahké spôsobiť rozklad elektrolytu, čo prinesie bezpečnostné riziká.
4. V procese vkladania a extrakcie lítnych iónov sa objem výrazne mení a stabilita cyklu je slabá.
V porovnaní s uhlíkovými materiálmi má spinelový typ Li4Ti5012 významné výhody:
1. Je to materiál s nulovým namáhaním a má dobrý obehový výkon;
2. Vybíjacie napätie je stabilné a elektrolyt sa nebude rozkladať, čím sa zlepší bezpečnostný výkon lítiových batérií;
3. V porovnaní s uhlíkovými anódovými materiálmi má titaničitan lítny vysoký koeficient difúzie lítnych iónov (2*10-8cm2/s) a môže sa nabíjať a vybíjať vysokou rýchlosťou.
4. Potenciál titaničitanu lítneho je vyšší ako potenciál čistého kovového lítia a nie je ľahké vytvárať lítiové dendrity, čo poskytuje základ pre zaistenie bezpečnosti lítiových batérií.
okruh údržby
Pozostáva z dvoch tranzistorov s efektom poľa a samostatného údržbového integrovaného bloku S-8232.Riadiaca trubica prebíjania FET2 a kontrolná trubica nadmerného vybíjania FET1 sú zapojené v sérii do obvodu a napätie batérie je monitorované a riadené údržbovým integrovaným obvodom.Keď napätie batérie stúpne na 4,2 V, trubica na udržiavanie prebitia FET1 sa vypne a nabíjanie sa ukončí.Aby sa predišlo poruche, do vonkajšieho obvodu sa zvyčajne pridáva oneskorovací kondenzátor.Keď je batéria vo vybitom stave, napätie batérie klesne na 2,55.
Čas odoslania: 30. marca 2023