Apa sel baterei?
Struktur Sel
Baterei siji, uga dikenal minangka "sel", minangka unit paling cilik saka sistem baterei. Utamane kasusun saka katoda (Elektroda Katoda), anoda (Elektroda Anoda), elektrolit (Elektrolit), pemisah (Separator), lan kasus (Kasus), kaya sing ditampilake ing Gambar 7-1.
Lembaran elektroda sel ion lithium -bisa dikategorikaké minangka bahan komposit, utamané dumadi saka patang bagéan:
1) Partikel materi aktif sing interkalate utawa deinterkalate ion lithium; partikel katoda nyedhiyakake sumber litium, dene partikel anoda nampa ion litium.
2) Fase konduktif (fase karbon gel) sing dibentuk saka campuran agen konduktif lan kolektor saiki, kanthi pengikat sing nduweni fungsi ikatan; lapisan nindakake elektron liwat kolektor saiki lan agen konduktif.
3) Pori-pori sing diisi elektrolit, sing dadi saluran kanggo transportasi ion litium{1}} ing lembaran elektroda.
4) Kolektor saiki.
Sajrone proses elektrokimia, lapisan elektroda utamane kalebu 4 proses ing ngisor iki:
1) Transpor elektron.
2) Transpor ion.
3) Pertukaran muatan ing antarmuka partikel elektrolit/elektroda, yaiku reaksi elektrokimia.
4) Difusi ion lithium ing fase padat. Ing struktur mikro lembaran elektroda, ukuran partikel lan distribusi mengaruhi jalur difusi ion lithium - lan area lumahing tartamtu saka reaksi elektrokimia; ukuran pori lan distribusi mengaruhi proses transportasi saka elektrolit; porositas mengaruhi jumlah materi aktif lan area lumahing tartamtu saka reaksi elektrokimia. Kabeh karakteristik microstructural iki pungkasanipun mengaruhi kinerja baterei.
Struktur Katoda
Katoda sel utamane kasusun saka bahan katoda kayata LiCoO₂, agen konduktif, pengikat (PVDF), lan kolektor arus (alumunium foil), minangka ditampilake ing Figure 7-2.
Kanggo baterei lithium-ion, kolektor arus katoda biasane aluminium foil lan kolektor arus anodafoil tembaga. Kanggo mesthekake stabilitas kolektor saiki nang baterei, kemurnian loro kudu ndhuwur 98%. Alasan kenapa baterei lithium-nganggo aluminium foil kanggo katoda lan foil tembaga kanggo anoda yaiku 3 poin ing ngisor iki:
1) Tembaga lan aluminium duwe konduktivitas listrik sing apik, tekstur alus, lan rega murah. Prinsip kerja baterei lithium-yaiku piranti elektrokimia sing ngowahi energi kimia dadi energi listrik. Ing proses iki, medium dibutuhake kanggo mindhah energi kimia menyang energi listrik, sing mbutuhake bahan konduktif. Ing antarane bahan umum, logam nduweni konduktivitas listrik sing paling apik, lan ing antarane logam, tembaga lan aluminium nawakake konduktivitas sing apik banget lan rega sing relatif murah ing bentuk foil tembaga lan aluminium foil. Ing baterei lithium-ion, utamane ana rong cara pangolahan: gulung lan tumpukan. Dibandhingake karo numpuk, nduwurke tumpukan mbutuhake sheets elektroda digunakake kanggo nyiapake baterei duwe keluwesan tartamtu kanggo mesthekake yen sheets elektroda ora dadi brittle utawa break sak nduwurke tumpukan. Ing antarane bahan logam, foil tembaga lan aluminium alus, foil tembaga / aluminium sing relatif atos larang, foil tembaga lan aluminium relatif murah, lan sumber daya tembaga lan aluminium akeh banget ing saindenging jagad.
2) Tembaga lan aluminium foil uga relatif stabil ing udhara. Aluminium gampang reaksi kimia karo oksigen ing udhara kanggo mbentuk film oksida kandhel ing lumahing, nyegah reaksi luwih saka aluminium. Film oksida tembaga / aluminium iki uga menehi efek protèktif tartamtu ing aluminium ing elektrolit. Tembaga dhewe relatif stabil ing udhara lan dhasar ora ngalami reaksi kimia ing hawa garing.
3) Potensial katoda lan anoda saka baterei lithium-ion nemtokake manawa aluminium foil digunakake kanggo katoda lan foil tembaga kanggo anoda, lan ora bisa dibalik. Potensi katoda dhuwur, lan foil tembaga gampang dioksidasi kanthi potensial dhuwur, dene aluminium nduweni potensial oksidasi sing dhuwur lan film oksida sing padhet ing lapisan permukaan, sing uga menehi perlindungan sing apik kanggo aluminium internal.
Ing kisi kristal saka aluminium metalik, tembaga lan aluminium nduweni ukuran sing padha karo Li lan bisa kanthi gampang mbentuk senyawa intermetal karo Li kayata LiAl. Li lan Al ora mung bisa mbentuk paduan kanthi rumus kimia LiAl, nanging uga bisa mbentuk lapisan paduan Li₉Al₄,Li₃Al₂,Li₅Al lan Li₂Al. Lapisan paduan iki nganggo jumlah Li sing akeh lan ngrusak struktur lan morfologi Al dhewe, mula ora bisa digunakake minangka kolektor saiki anoda baterei lithium-; nalika Cu ngalami pembubaran sing sithik banget sajrone pangisi daya baterei-lan njaga stabilitas struktural lan elektrokimia, dadi cocok minangka kolektor saiki anoda kanggo baterei lithium-. Kanggo foil tembaga ing 3.5V, saiki polarisasi wiwit nambah sacara signifikan lan mundhak linearly, karo oksidasi intensified, nuduhake yen Cu uga wiwit dissolve ing baterei; nalika kanggo aluminium foil tengen kabeh polarisasi sawetara potensial, polarisasi saiki cilik lan stabil, karo ora ketok fénoména karat diamati, njaga stabilitas elektrokimia. Amarga jumlah pembubaran Al ing sawetara potensial katoda baterei lithium-ion cilik banget lan stabilitas elektrokimia bisa dipertahankan, cocok minangka kolektor arus katoda kanggo baterei lithium-ion.
Lapisan oksida ing permukaan tembaga/aluminium kalebu semikonduktor lan nindakake elektron; yen lapisan oksida banget kandel, impedansi gedhe; nalika lapisan aluminium oksida ing lumahing aluminium minangka insulator lan ora bisa nindakake listrik, nanging amarga banget tipis, konduksi elektron digayuh liwat efek tunneling; yen lapisan oksida kandel, konduktivitas tembaga / aluminium foil miskin utawa malah insulating. Umume, foil tembaga / aluminium kudu di resiki saka lapisan oksida sadurunge digunakake kanggo mbusak lenga ing tangan siji lan lapisan oksida sing kandel ing sisih liyane. Potensi katoda dhuwur, lan lapisan aluminium oksida banget kandhel, sing bisa nyegah oksidasi kolektor saiki. Lapisan oksida tembaga / nikel lan sapiturute relatif longgar, gampang nyegah kolektor saiki lan nyedhiyakake kinerja baterei sing luwih apik. Ing wektu sing padha, potensial anoda baterei lithium-kurang, lan tembaga/nikel bakal ngalami reaksi oksidasi, kanthi reaksi oksidasi/tembaga/de-kedadean ing permukaan tembaga/nikel, dene aluminium ngalami paduan LiAl kanthi potensial dhuwur.
Kolektor saiki mbutuhake komposisi murni. Impurities ing Al bakal nggawe film lumahing kurang kandhel lan nimbulaké pitting karat, lan malah luwih abot, karusakan saka film lumahing ndadékaké kanggo tatanan saka alloy LiAl.
Kolektor saiki mbutuhake komposisi murni. Impurities ing Al bakal nimbulaké film lumahing dadi kurang kandhel, anjog kanggo pitting karat, lan malah Samsaya Awon, karusakan saka film lumahing asil ing tatanan saka alloy LiAl.
Kanggo baterei lithium -ion, katoda aluminium foil wis dikurangi saka 16μm dadi 14μm, banjur dadi 12μm, lan saiki 10μm aluminium foil wis ana ing produksi massal, lan sawetara malah nggunakake 8μm; kanggo foil tembaga anoda, amarga keluwesan sing luwih apik, kekandelane wis suda saka 12μm sadurunge dadi 10μm, banjur dadi 8μm, lan saiki akeh batre sing diprodhuksi kanthi massa - nggunakake 6μm, nalika sawetara manufaktur ngembangake 5μm / 4μm sing uga bisa digunakake. Wiwit baterei lithium{14}}ion duwe syarat kemurnian dhuwur kanggo foil tembaga sing digunakake, Kapadhetan materi ing dhasare padha. Nalika kekandelan sing dikembangake saya suda, kapadhetan area saya suda, lan bobot baterei kanthi alami dadi luwih entheng lan luwih entheng, sing nyukupi kabutuhan baterei lithium{16}}ion.
Kanggo kolektor saiki, saliyane kekandelan lan bobot sing mengaruhi baterei lithium-ion, sifat permukaan kolektor saiki uga duwe pengaruh sing signifikan ing produksi lan kinerja baterei. Utamané kanggo kolektor saiki anoda, amarga cacat ing teknologi preparation, foil tembaga ing pasar utamané siji -kasar sisi, pindho -kasar, lan pindho -coarsened varieties. Struktur rong sisi asimetris iki bakal nyebabake resistensi kontak asimetris saka lapisan anoda ing loro-lorone, saéngga nyegah pelepasan seragam kapasitas anoda ing loro-lorone; ing wektu sing padha, asimetri ing loro-lorone uga bakal nimbulaké kekuatan adhesion inconsistent saka lapisan anoda, asil ing nemen unbalanced pangisian daya -umur siklus discharge lapisan anoda ing loro-lorone, kang siji accelerates bosok kapasitas baterei.
Formulasi katoda sel tunggal minangka teknologi inti utama sel. Ing ngisor iki contone:
1) LiCoO₂ (10μm): 96,0%.
2) Agen konduktif (ECP Karbon): 2,0%.
3) Binder (PVDF 761): 2,0%.
4) Adhesion promoter (NMP): Rasio bobot zat padhet kira-kira 810:1496.
Pancegahan formulasi katoda:
1) Kontrol viskositas slurry katoda ing 6000cP (1cP=1mPa · s) (suhu 25 derajat).
2) Bobot NMP kudu diatur kanthi tepat kanggo nyukupi syarat viskositas.
3) Pay manungsa waé khusus kanggo pengaruh suhu lan asor ing viskositas.
Bahan katoda lithium kobalt oksida: Bahan aktif katoda, sumber ion lithium, nyedhiyakake sumber lithium kanggo baterei. Zat non{1}}polar, wujude ora beraturan, ukuran partikel D50 umume 6-8μm, kadar lembab Kurang saka utawa padha karo 0,2%, biasane basa, pH 10-11.
Materi katoda lithium mangan oksida: Zat non{0}}kutub, wujud ora beraturan, ukuran partikel D50 umume 5-7μm, kandungan kelembapan Kurang saka utawa padha karo 0,2%, biasane alkalin lemah, pH watara 8.
Agen konduktif: Rantai-kaya zat, isi kelembapan<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.
Pengikat (PVDF): Non-bahan polar, kaya rantai-, bobot molekul kisaran saka 300000 nganti 3000000; bobot molekul mudhun sawise panyerepan banyu, asil ing adhesion miskin. Digunakake kanggo ikatan lithium kobalt oksida, agen konduktif, lan aluminium foil utawa bolong aluminium bebarengan Promotor Adhesion (NMP): Cairan polar sing lemah, digunakake kanggo larut / swell PVDF lan ngencerake slurry ing wektu sing padha.
Kolektor saiki (tab katoda): Digawe saka aluminium foil utawa strip aluminium.
Struktur Anoda
Struktur anoda sel kasusun saka materi grafit, agen konduktif, thickener (CMC), binder (SBR), lan kolektor arus (copper foil), kaya sing dituduhake ing Gambar 7-3.
Formulasi anoda saka sel siji uga minangka salah sawijining teknologi inti sel, biasane kaya ing ngisor iki:
1) Bahan anoda (grafit): 94,5%.
2)Agen konduktif (ECP Karbon): 1,0% (Ketjenblack).
3) Pengikat (styrene -butadiena rubber lateks, SBR): 2,25%.
4) Thickener (karboksimetil selulosa, CMC): 2,25%.
5)Banyu: Rasio bobot zat padat yaiku 1600:1417,5.
Pancegahan formulasi anoda:
1) Kontrol viskositas slurry anoda ing 5000-6000cP (suhu 25 derajat).
2) Bobot banyu kudu diatur kanthi tepat kanggo nyukupi syarat viskositas.
3) Pay manungsa waé khusus kanggo pengaruh suhu lan asor ing viskositas.
Grafit: Bahan aktif anoda, zat utama sing mbentuk reaksi anoda, utamane dipérang dadi rong kategori utama: grafit alam lan grafit buatan. Zat non-polar, gampang terkontaminasi dening zat non-polar, gampang disebarake ing zat non-polar; ora gampang nyerep banyu, uga ora gampang nyebar ing banyu. Grafit sing wis kontaminasi, sawise dibubarake ing banyu, cenderung nglumpukake maneh-. Ukuran partikel umum D50 sekitar 20μm. Wangun partikel beda-beda lan biasane ora duwe aturan baku, utamane bunder, flaky, fibrous, lsp.
Fungsi konduktif:
1) Ngapikake konduktivitas lembaran anoda lan ngimbangi konduktivitas elektronik bahan aktif anoda.
2) Tambah ambane reaksi lan tingkat pemanfaatan.
3) Nyegah generasi dendrit.
4)Gunakake cairan-kapasitas nyerep bahan konduktif kanggo nambah antarmuka reaksi lan nyuda polarisasi (bisa ditambah utawa ora miturut distribusi ukuran partikel grafit).
Aditif: Ngurangi reaksi sing ora bisa dibalèkaké, nambah kekuatan ikatan lan viskositas slurry, lan nyegah sedimentasi slurry.
Thickener/anti{0}}settling agent (CMC): Senyawa molekul dhuwur, gampang larut ing banyu lan pelarut polar.
Isopropanol: Zat polar sing lemah; sawise Kajaba iku, bisa nyuda polaritas saka solusi binder, nambah kompatibilitas antarane grafit lan solusi binder; nduweni efek defoaming sing kuat; gampang catalyzes cross{0}}linking jaringan binder lan nambah kekuatan ikatan.
Etanol: Zat polar sing lemah; sawise Kajaba iku, bisa nyuda polaritas saka solusi binder, nambah kompatibilitas antarane grafit lan solusi binder; nduweni efek defoaming sing kuat; gampang ngubungake sambungan silang -linear saka binder lan nambah kekuatan ikatan (fungsi isopropanol lan etanol pancen padha; nalika ngasilake massa-, faktor biaya bisa dianggep kanggo milih sing arep ditambahake).
Water{0}}binder (SBR): Ikatan grafit, agen konduktif, aditif, lan foil tembaga utawa bolong tembaga bebarengan; molekul emulsi chain linear, arang banget larut ing banyu lan pelarut polar.
Banyu deionisasi (utawa banyu suling): Diluent, ditambahake ing jumlah sing cocog, bisa ngganti fluidity saka slurry.
Tab anode: Digawe saka foil tembaga utawa strip tembaga.
