Çfarë është qeliza e baterisë?
Struktura e qelizave
Një bateri e vetme, e njohur gjithashtu si "qelizë", është njësia më e vogël e një sistemi baterie. Kryesisht përbëhet nga katodë (Elektrodë Katodë), anodë (Elektrodë Anode), elektrolit (Elektrolit), Separator (Ndarës) dhe Kasë (Kase), siç tregohet në Figurën 7-1.
Fleta e elektrodës së një qelize jonike-litiumi mund të kategorizohet si një material i përbërë, kryesisht i përbërë nga katër pjesë:
1) Grimcat e materialit aktiv që ndërthurin ose deinterkalojnë jonet e litiumit; grimcat e katodës sigurojnë burimin e litiumit, ndërsa grimcat e anodës pranojnë jonet e litiumit.
2) Faza përçuese (faza e xhelit të karbonit) e formuar nga përzierja e agjentit përcjellës dhe kolektorit aktual, me lidhësin që shërben për një funksion lidhjeje; veshja përcjell elektronet përmes kolektorit aktual dhe agjentit përcjellës.
3) Poret e mbushura me elektrolit, të cilat shërbejnë si kanale për transportin e joneve të litiumit brenda fletës së elektrodës.
4) Koleksionist aktual.
Gjatë procesit elektrokimik, veshja e elektrodës përfshin kryesisht 4 proceset e mëposhtme:
1) Transporti i elektroneve.
2) Transporti i joneve.
3) Shkëmbimi i ngarkesës në ndërfaqen e grimcave elektrolit/elektrodë, p.sh., reaksioni elektrokimik.
4) Difuzioni i joneve të litiumit brenda fazës së ngurtë. Në mikrostrukturën e fletës së elektrodës, madhësia dhe shpërndarja e grimcave ndikojnë në rrugën e difuzionit të joneve të litium-dhe sipërfaqen specifike të reaksionit elektrokimik; madhësia dhe shpërndarja e poreve ndikojnë në procesin e transportit të elektrolitit; poroziteti ndikon në sasinë e materialit aktiv dhe sipërfaqen specifike të reaksionit elektrokimik. Të gjitha këto karakteristika mikrostrukturore në fund të fundit ndikojnë në performancën e baterisë.
Struktura e Katodës
Katoda e qelizës përbëhet kryesisht nga materiale katodë si LiCoO2, agjent përçues, lidhës (PVDF) dhe kolektor aktual (letër alumini), siç tregohet në figurën 7-2.
Për bateritë litium-jonike, kolektori i rrymës katodë është zakonisht letër alumini dhe kolektori i rrymës së anodës ështëfletë metalike prej bakri. Për të siguruar qëndrueshmërinë e kolektorit aktual brenda baterisë, pastërtia e të dyve duhet të jetë mbi 98%. Arsyet pse bateritë e litium-jonit përdorin fletë alumini për katodën dhe fletë bakri për anodën janë 3 pikat e mëposhtme:
1) Bakri dhe alumini kanë përçueshmëri të mirë elektrike, cilësi të butë dhe çmim të ulët. Parimi i punës së një baterie litium-jonike është një pajisje elektrokimike që konverton energjinë kimike në energji elektrike. Në këtë proces, kërkohet një medium për të transferuar energjinë kimike në energji elektrike, e cila kërkon një material përçues. Ndër materialet e zakonshme, metalet kanë përçueshmërinë më të mirë elektrike, dhe midis metaleve, bakri dhe alumini ofrojnë përçueshmëri të shkëlqyer dhe çmim relativisht të ulët në formën e fletës së bakrit dhe fletës së aluminit. Në bateritë e litiumit ({6})-joneve, ekzistojnë kryesisht dy metoda të përpunimit: mbështjellja dhe grumbullimi. Krahasuar me grumbullimin, dredha-dredha kërkon që fletët e elektrodës që përdoren për përgatitjen e baterisë të kenë një fleksibilitet të caktuar për të siguruar që fletët e elektrodës të mos bëhen të brishta ose të thyhen gjatë mbështjelljes. Ndër materialet metalike, fletët e bakrit dhe aluminit janë të buta, fletët relativisht të forta bakri/alumini janë të shtrenjta, fletët e bakrit dhe aluminit janë relativisht të lira dhe burimet e bakrit dhe aluminit janë të bollshme në mbarë botën.
2) Fletët e bakrit dhe aluminit janë gjithashtu relativisht të qëndrueshme në ajër. Alumini reagon lehtësisht kimikisht me oksigjenin në ajër për të formuar një film të dendur oksidi në sipërfaqe, duke parandaluar reagimin e mëtejshëm të aluminit. Ky film oksid bakri/alumini gjithashtu siguron një efekt të caktuar mbrojtës ndaj aluminit në elektrolit. Bakri në vetvete është relativisht i qëndrueshëm në ajër dhe në thelb nuk i nënshtrohet reaksioneve kimike në ajrin e thatë.
3) Potencialet e katodës dhe anodës së baterive të litium-joneve përcaktojnë që letër alumini përdoret për katodën dhe fletë bakri për anodën dhe ato nuk mund të kthehen mbrapsht. Potenciali i katodës është i lartë dhe fleta e bakrit oksidohet lehtësisht në potencial të lartë, ndërsa alumini ka një potencial të lartë oksidimi dhe një film të dendur oksidi në shtresën e tij sipërfaqësore, i cili gjithashtu siguron mbrojtje të mirë për aluminin e brendshëm.
Në rrjetën kristalore të aluminit metalik, bakri dhe alumini kanë madhësi të ngjashme me Li dhe mund të formojnë lehtësisht komponime ndërmetalike me Li si LiAl. Li dhe Al jo vetëm që mund të formojnë aliazhin me formulën kimike LiAl, por gjithashtu mund të formojnë shtresa aliazhi Li₉Al4, Li3Al2, Li5Al dhe Li2Al. Këto shtresa të aliazhit konsumojnë një sasi të madhe Li dhe dëmtojnë strukturën dhe morfologjinë e vetë Al, kështu që nuk mund të përdoret si kolektor i rrymës së anodës së baterive litium-jonike; ndërsa Cu i nënshtrohet shumë pak shpërbërjes gjatë shkarkimit të-karikimit të baterisë dhe ruan stabilitetin strukturor dhe elektrokimik, duke e bërë atë të përshtatshëm si kolektor i rrymës së anodës për bateritë e litiumit-. Për fletën e bakrit në 3.5V, rryma e polarizimit fillon të rritet ndjeshëm dhe rritet në mënyrë lineare, me oksidim të intensifikuar, që tregon se Cu fillon të shpërndahet edhe në bateri; ndërsa për fletën e aluminit në të gjithë gamën e potencialit të polarizimit, rryma e polarizimit është e vogël dhe e qëndrueshme, pa asnjë fenomen të dukshëm korrozioni, duke ruajtur stabilitetin elektrokimik. Meqenëse sasia e shpërbërjes së Al në diapazonin e potencialit katodik të baterive të litium-joneve është jashtëzakonisht i vogël dhe mund të ruhet stabiliteti elektrokimik, ai është i përshtatshëm si kolektor i rrymës katodë për bateritë e litium-joneve.
Shtresa e oksidit në sipërfaqet e bakrit/aluminit i përket gjysmëpërçuesve dhe përçon elektronet; nëse shtresa e oksidit është shumë e trashë, impedanca është e madhe; ndërsa shtresa e oksidit të aluminit në sipërfaqen e aluminit është një izolues dhe nuk mund të përçojë elektricitetin, por për shkak se është shumë e hollë, përcjellja e elektroneve arrihet përmes efektit të tunelit; nëse shtresa e oksidit është e trashë, përçueshmëria e fletës së bakrit/aluminit është e dobët apo edhe izoluese. Në përgjithësi, fletë metalike prej bakri/alumini duhet të pastrohet nga shtresa e oksidit përpara përdorimit për të hequr vajin nga njëra anë dhe shtresat e trasha të oksidit nga ana tjetër. Potenciali i katodës është i lartë, dhe shtresa e oksidit të aluminit është shumë e dendur, gjë që mund të parandalojë oksidimin e kolektorit aktual. Shtresat okside të bakrit/nikelit etj. janë relativisht të lirshme, duke parandaluar lehtësisht kolektorin aktual dhe duke siguruar performancë më të mirë të baterisë. Në të njëjtën kohë, potenciali i anodës së baterive të litium-jonit është i ulët dhe bakri/nikeli do të pësojë reaksione oksidimi, me reaksione oksidimi/bakri/de-litiacioni që ndodhin në sipërfaqen e bakrit/nikelit, ndërsa alumini i nënshtrohet lidhjes së LiAl në potencial të lartë.
Koleksioni aktual kërkon përbërje të pastër. Papastërtitë në Al do ta bëjnë filmin sipërfaqësor më pak të dendur dhe do të shkaktojnë korrozion me gropa, dhe akoma më rëndë, shkatërrimi i filmit sipërfaqësor çon në formimin e aliazhit LiAl.
Koleksioni aktual kërkon përbërje të pastër. Papastërtitë në Al do të bëjnë që filmi i sipërfaqes të jetë më pak i dendur, duke çuar në korrozion me gropë, dhe akoma më keq, shkatërrimi i filmit sipërfaqësor rezulton në formimin e aliazhit LiAl.
Për bateritë e litium-joneve, folia e aluminit katodë është reduktuar nga 16μm në 14μm, më pas në 12μm, dhe tani fletë metalike prej alumini 10μm është tashmë në prodhim masiv, me disa që përdorin edhe 8μm; për fletën e bakrit të anodës, për shkak të fleksibilitetit të saj në thelb më të mirë, trashësia e saj është reduktuar nga 12μm e mëparshme në 10μm, më pas në 8μm, dhe aktualisht një pjesë e madhe e baterive prodhohen në masë- duke përdorur 6μm, ndërsa disa prodhues po zhvillojnë 5μm/4μm të cilat janë gjithashtu potencialisht të përdorshme. Meqenëse bateritë e litium{14}}joneve kanë kërkesa të larta pastërtie për fletën e bakrit të përdorur, dendësia e materialit është në thelb në të njëjtin nivel. Ndërsa trashësia në zhvillim zvogëlohet, densiteti i zonës zvogëlohet në përputhje me rrethanat, dhe pesha e baterisë natyrisht bëhet më e lehtë dhe më e lehtë, gjë që plotëson kërkesën për bateritë e litiumit{16}}.
Për kolektorët aktualë, përveç trashësisë dhe peshës së tyre që ndikon në bateritë e joneve litium-, vetitë e sipërfaqes së kolektorit aktual kanë gjithashtu një ndikim të rëndësishëm në prodhimin dhe performancën e baterisë. Veçanërisht për kolektorin e rrymës së anodës, për shkak të defekteve në teknologjinë e përgatitjes, fletët e bakrit në treg janë kryesisht varietete të njëanshme-të ashpërsuara, dy-të ashpërsuara dhe dy-të trashësuara. Kjo strukturë asimetrike me dy- anë do të çojë në rezistencën asimetrike të kontaktit të veshjes së anodës në të dyja anët, duke parandaluar kështu çlirimin e njëtrajtshëm të kapacitetit të anodës në të dyja anët; në të njëjtën kohë, asimetria në të dy anët do të shkaktojë gjithashtu rezistencë të paqëndrueshme ngjitjeje të veshjes së anodës, duke rezultuar në ciklin e ngarkimit të çekuilibruar rëndë- të veshjes së anodës në të dyja anët, gjë që nga ana tjetër përshpejton zbërthimin e kapacitetit të baterisë.
Formulimi i katodës së një qelize të vetme është teknologjia thelbësore e qelizës. Më poshtë është një shembull:
1)LiCoO2 (10μm): 96.0%.
2) Agjent përçues (Carbon ECP): 2.0%.
3) Lidhës (PVDF 761): 2.0%.
4) Promotori i ngjitjes (NMP): Raporti i peshës së substancave të ngurta është afërsisht 810:1496.
Masat paraprake për formulimin e katodës:
1) Kontrolli i viskozitetit të llumit katodë në 6000cP (1cP=1mPa · s) (temperatura 25 gradë).
2) Pesha e NMP duhet të rregullohet siç duhet për të përmbushur kërkesat e viskozitetit.
3) Kushtojini vëmendje të veçantë ndikimit të temperaturës dhe lagështisë në viskozitet.
Materiali katodë Oksidi i litiumit të kobaltit: Materiali aktiv katodë, burimi i joneve të litiumit, siguron burim litium për baterinë. Substanca jo polare, formë e çrregullt, madhësia e grimcave D50 përgjithësisht 6-8μm, përmbajtja e lagështisë Më pak se ose e barabartë me 0,2%, zakonisht alkaline, pH 10-11.
Materiali katodik oksid mangani i litiumit: Substancë jo-polare, formë e çrregullt, madhësia e grimcave D50 përgjithësisht 5-7μm, përmbajtja e lagështisë Më pak ose e barabartë me 0,2%, zakonisht pak alkaline, pH rreth 8.
Agjent përcjellës: zinxhir-si substanca, përmbajtja e lagështisë<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.
Lidhës (PVDF): Substancë jo{0}}polare, zinxhir-, pesha molekulare që varion nga 300000 në 3000000; pesha molekulare zvogëlohet pas përthithjes së ujit, duke rezultuar në ngjitje më të dobët. Përdoret për të lidhur oksidin e litiumit të kobaltit, agjentin përçues dhe fletë alumini ose rrjetë alumini së bashku Promotori ngjitës (NMP): Lëng polar i dobët, që përdoret për të tretur/fryrë PVDF dhe për hollimin e njëkohshëm të llumit.
Kolektori i rrymës (skedë katodë): E bërë nga fletë alumini ose shirit alumini.
Struktura e anodës
Struktura e anodës së qelizës përbëhet nga materiali grafit, agjenti përcjellës, trashësi (CMC), lidhësi (SBR) dhe kolektori i rrymës (fletë bakri), siç tregohet në figurën 7-3.
Formulimi i anodës së një qelize të vetme është gjithashtu një nga teknologjitë kryesore kryesore të qelizës, zakonisht si më poshtë:
1) Materiali anodik (grafit): 94.5%.
2) Agjent përçues (Carbon ECP): 1.0% (Ketjenblack).
3) Lidhës (stiren-latex gome butadiene, SBR): 2,25%.
4)Trashës (karboksimetil celulozë, CMC): 2.25%.
5)Uji: Raporti i peshës së substancave të ngurta është 1600:1417.5.
Masat paraprake të formulimit të anodës:
1) Kontrolli i viskozitetit të llumit të anodës në 5000-6000cP (temperatura 25 gradë).
2) Pesha e ujit duhet të rregullohet siç duhet për të përmbushur kërkesat e viskozitetit.
3) Kushtojini vëmendje të veçantë ndikimit të temperaturës dhe lagështisë në viskozitet.
Grafit: Materiali aktiv anodë, substanca kryesore që përbën reaksionin e anodës, i ndarë kryesisht në dy kategori të mëdha: grafit natyror dhe grafit artificial. Substanca jo-polare, e ndotur lehtësisht nga substanca jo-polare, e shpërndarë lehtësisht në substanca jo-polare; nuk është e lehtë për të thithur ujin, as e lehtë për t'u shpërndarë në ujë. Grafiti i kontaminuar, pasi shpërndahet në ujë, tenton të ri-aglomerohet. Madhësia e përgjithshme e grimcave D50 është rreth 20μm. Format e grimcave janë të shumëllojshme dhe kryesisht të parregullta, kryesisht sferike, të rrudha, fibroze etj.
Funksionet e agjentit përcjellës:
1) Përmirësoni përçueshmërinë e fletës së anodës dhe kompensoni përçueshmërinë elektronike të materialit aktiv të anodës.
2) Rritni thellësinë e reagimit dhe shkallën e përdorimit.
3) Parandalimi i gjenerimit të dendriteve.
4) Përdorni kapacitetin-përthithës të lëngjeve të materialeve përçuese për të rritur ndërfaqen e reaksionit dhe për të reduktuar polarizimin (mund të shtohet ose jo sipas shpërndarjes së madhësisë së grimcave të grafitit).
Aditivët: Reduktojnë reaksionet e pakthyeshme, rrisin forcën e lidhjes dhe viskozitetin e llumit dhe parandalojnë sedimentimin e llumit.
Trashues/anti-trashues (CMC): Komponim i lartë molekular, lehtësisht i tretshëm në ujë dhe tretës polare.
Izopropanol: Substancë polare e dobët; pas kësaj, mund të zvogëlojë polaritetin e zgjidhjes lidhëse, të përmirësojë përputhshmërinë midis grafitit dhe zgjidhjes lidhëse; ka një efekt të fortë shkumës; katalizon lehtësisht ndërlidhjen-të rrjetit lidhës dhe përmirëson forcën e lidhjes.
Etanol: Substancë polare e dobët; pas kësaj, mund të zvogëlojë polaritetin e zgjidhjes lidhëse, të përmirësojë përputhshmërinë midis grafitit dhe zgjidhjes lidhëse; ka një efekt të fortë shkumës; katalizon lehtësisht lidhjen lineare-kryq të lidhësit dhe përmirëson forcën e lidhjes (funksionet e izopropanolit dhe etanolit janë në thelb të njëjta; kur prodhohet në masë, faktorët e kostos mund të merren parasysh për të zgjedhur cilin të shtoni).
Lidhës me bazë uji- (SBR): Lidh grafitin, agjentin përcjellës, aditivët dhe fletën e bakrit ose rrjetën e bakrit; molekula emulsioni me zinxhir linear, jashtëzakonisht e tretshme në ujë dhe tretës polare.
Uji i dejonizuar (ose uji i distiluar): Diluenti, i shtuar në sasinë e duhur, mund të ndryshojë rrjedhshmërinë e llumit.
Skeda e anodës: E bërë nga fletë bakri ose shirit bakri.
