Kaj je baterijska celica?
Struktura celice
Posamezna baterija, znana tudi kot "celica", je najmanjša enota baterijskega sistema. V glavnem je sestavljen iz katode (Cathode Electrode), anode (Anode Electrode), elektrolita (Electrolyte), separatorja (Separator) in ohišja (Case), kot je prikazano na sliki 7-1.
Ploščo elektrod litij{0}}ionske celice lahko kategoriziramo kot kompozitni material, ki je v glavnem sestavljen iz štirih delov:
1) Delci aktivne snovi, ki interkalirajo ali deinterkalirajo litijeve ione; katodni delci zagotavljajo vir litija, medtem ko anodni delci sprejemajo litijeve ione.
2) Prevodna faza (faza ogljikovega gela), ki jo tvori mešanica prevodnega sredstva in zbiralnika toka, pri čemer vezivo opravlja funkcijo povezovanja; prevleka prevaja elektrone skozi zbiralnik toka in prevodno sredstvo.
3) Pore, napolnjene z elektrolitom, ki služijo kot kanali za transport litij-ionov znotraj plošče elektrode.
4) Tokovni zbiralnik.
Med elektrokemičnim procesom prevleka elektrode vključuje predvsem naslednje 4 procese:
1) Prenos elektronov.
2) Prenos ionov.
3) Izmenjava naboja na meji med elektrolitom in delcem elektrode, tj. elektrokemična reakcija.
4) Difuzija litijevih ionov v trdni fazi. V mikrostrukturi plošče elektrode velikost in porazdelitev delcev vplivata na difuzijsko pot litij-ionov in specifično površino elektrokemične reakcije; velikost in porazdelitev por vplivata na transportni proces elektrolita; poroznost vpliva na količino aktivne snovi in specifično površino elektrokemične reakcije. Vse te mikrostrukturne značilnosti na koncu vplivajo na delovanje baterije.
Struktura katode
Katoda celice je v glavnem sestavljena iz katodnih materialov, kot je LiCoO₂, prevodno sredstvo, vezivo (PVDF) in zbiralnik toka (aluminijasto folijo), kot je prikazano na sliki 7-2.
Pri litij-ionskih baterijah je katodni zbiralnik toka običajno aluminijasta folija, anodni zbiralnik tokabakreno folijo. Za zagotovitev stabilnosti zbiralnika toka v bateriji mora biti čistost obeh nad 98%. Razlogi, zakaj litij-ionske baterije uporabljajo aluminijasto folijo za katodo in bakreno folijo za anodo, so naslednje 3 točke:
1) Baker in aluminij imata dobro električno prevodnost, mehko teksturo in nizko ceno. Načelo delovanja litij-ionske baterije je elektrokemična naprava, ki pretvarja kemično energijo v električno. V tem procesu je potreben medij za prenos kemične energije v električno energijo, kar zahteva prevodni material. Med običajnimi materiali imajo najboljšo električno prevodnost kovine, med kovinami pa baker in aluminij ponujata odlično prevodnost in relativno nizko ceno v obliki bakrene folije in aluminijaste folije. Pri litij-ionskih baterijah obstajata predvsem dva načina obdelave: navijanje in zlaganje. V primerjavi z zlaganjem, navijanje zahteva, da imajo plošče elektrod, ki se uporabljajo za pripravo baterije, določeno prožnost, ki zagotavlja, da plošče elektrod med navijanjem ne postanejo krhke ali se zlomijo. Med kovinskimi materiali so bakrene in aluminijaste folije mehke, razmeroma trde bakrene/aluminijeve folije so drage, bakrene in aluminijaste folije so razmeroma poceni, virov bakra in aluminija pa je po vsem svetu v izobilju.
2) Bakrene in aluminijaste folije so tudi relativno stabilne na zraku. Aluminij zlahka kemično reagira s kisikom v zraku in na površini tvori gost oksidni film, ki preprečuje nadaljnjo reakcijo aluminija. Ta oksidni film bakra/aluminija zagotavlja tudi določen zaščitni učinek na aluminij v elektrolitu. Sam baker je razmeroma stabilen na zraku in v suhem zraku praktično ne podleže kemičnim reakcijam.
3) Katodni in anodni potencial litij-ionskih baterij določata, da se za katodo uporablja aluminijasta folija, za anodo pa bakrena folija, in ju ni mogoče obrniti. Katodni potencial je visok, bakrena folija se pri visokem potencialu zlahka oksidira, medtem ko ima aluminij visok oksidacijski potencial in gosto oksidno plast na svoji površinski plasti, ki zagotavlja tudi dobro zaščito notranjega aluminija.
V kristalni mreži kovinskega aluminija imata baker in aluminij podobne velikosti kot Li in lahko zlahka tvorita intermetalne spojine z Li, kot je LiAl. Li in Al ne moreta le tvoriti zlitine s kemijsko formulo LiAl, ampak lahko tvorita tudi plasti zlitin Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al in Li₂Al. Te plasti zlitine porabijo veliko količino Li in poškodujejo strukturo in morfologijo samega Al, zato ga ni mogoče uporabiti kot zbiralnik anodnega toka litij-ionskih baterij; medtem ko se baker med polnjenjem-praznjenjem baterije zelo malo raztopi in ohranja strukturno in elektrokemijsko stabilnost, zaradi česar je primeren kot zbiralnik anodnega toka za litij-ionske baterije. Pri bakreni foliji pri 3,5 V začne polarizacijski tok občutno naraščati in narašča linearno, s povečano oksidacijo, kar kaže, da se tudi Cu začne raztapljati v bateriji; medtem ko je za aluminijasto folijo v celotnem območju polarizacijskega potenciala polarizacijski tok majhen in stabilen, brez očitnih korozijskih pojavov, ki ohranjajo elektrokemijsko stabilnost. Ker je količina raztapljanja Al v območju katodnega potenciala litij-ionskih baterij izjemno majhna in je mogoče ohraniti elektrokemijsko stabilnost, je primeren kot katodni zbiralnik toka za litij-ionske baterije.
Oksidna plast na bakrenih/aluminijevih površinah spada med polprevodnike in prevaja elektrone; če je oksidna plast predebela, je impedanca velika; medtem ko je plast aluminijevega oksida na površini aluminija izolator in ne more prevajati elektrike, a ker je zelo tanka, se elektronska prevodnost doseže z učinkom tuneliranja; če je oksidna plast debela, je prevodnost bakrene/aluminijeve folije slaba ali celo izolacijska. Na splošno je treba bakreno/aluminijevo folijo pred uporabo očistiti oksidne plasti, da odstranimo olje na eni strani in debele oksidne plasti na drugi strani. Katodni potencial je visok, plast aluminijevega oksida pa zelo gosta, kar lahko prepreči oksidacijo zbiralnika toka. Oksidne plasti bakra/niklja itd. so razmeroma ohlapne, zlahka preprečujejo zbiralnik toka in zagotavljajo boljše delovanje baterije. Hkrati je anodni potencial litij-ionskih baterij nizek in baker/nikelj bo podvržen oksidacijskim reakcijam, pri čemer se na površini bakra/niklja odvijajo reakcije oksidacije/bakra/de-litijacije, medtem ko je aluminij podvržen legiranju LiAl z visokim potencialom.
Tokovni kolektor zahteva čisto sestavo. Nečistoče v Al bodo naredile površinski film manj gost in povzročile luknjičasto korozijo, še hujše pa je, da uničenje površinskega filma povzroči nastanek zlitine LiAl.
Tokovni kolektor zahteva čisto sestavo. Nečistoče v Al bodo povzročile, da bo površinski film manj gost, kar bo povzročilo luknjičasto korozijo, in še huje, uničenje površinskega filma bo povzročilo nastanek zlitine LiAl.
Pri litij-ionskih baterijah je bila katodna aluminijasta folija zmanjšana s 16 μm na 14 μm, nato na 12 μm, zdaj pa je 10 μm aluminijasta folija že v masovni proizvodnji, pri čemer nekateri uporabljajo celo 8 μm; za anodno bakreno folijo se je zaradi njene inherentno boljše prožnosti njena debelina zmanjšala s prejšnjih 12 μm na 10 μm, nato na 8 μm, trenutno pa se velik del baterij masovno -proizvaja z uporabo 6 μm, medtem ko nekateri proizvajalci razvijajo 5 μm/4 μm, ki so prav tako potencialno uporabni. Ker imajo litij-ionske baterije visoke zahteve glede čistosti uporabljene bakrene folije, je gostota materiala v bistvu enaka. Ko se debelina v razvoju zmanjšuje, se površinska gostota ustrezno zmanjšuje, teža baterije pa seveda postaja vse lažja, kar ustreza povpraševanju po litij-ionskih baterijah.
Pri odjemnikih toka imajo poleg debeline in teže, ki vplivata na litij-ionske baterije, tudi površinske lastnosti odjemalnikov toka pomemben vpliv na proizvodnjo in zmogljivost baterije. Zlasti za anodni tokovni zbiralnik so zaradi napak v tehnologiji priprave bakrene folije na trgu večinoma eno-stransko hrapave, dvo-dvostransko hrapave in dvo-stransko hrapave različice. Ta asimetrična dvo-stranska struktura bo vodila do asimetričnega kontaktnega upora anodne prevleke na obeh straneh in s tem preprečila enakomerno sprostitev anodne kapacitete na obeh straneh; hkrati pa bo asimetrija na obeh straneh povzročila tudi nedosledno adhezijsko trdnost anodne prevleke, kar bo povzročilo močno neuravnoteženo življenjsko dobo cikla polnjenja-praznjenja anodne prevleke na obeh straneh, kar posledično pospeši upadanje kapacitete baterije.
Katodna formula ene celice je ključna jedrna tehnologija celice. Spodaj je primer:
1) LiCoO₂ (10 μm): 96,0 %.
2) Prevodno sredstvo (Carbon ECP): 2,0 %.
3) Vezivo (PVDF 761): 2,0 %.
4) Promotor adhezije (NMP): masno razmerje trdnih snovi je približno 810:1496.
Varnostni ukrepi za formulacijo katode:
1) Kontrola viskoznosti katodne brozge pri 6000 cP (1 cP=1 mPa · s) (temperatura 25 stopinj).
2) Teža NMP mora biti ustrezno prilagojena, da ustreza zahtevam glede viskoznosti.
3) Posebno pozornost posvetite vplivu temperature in vlažnosti na viskoznost.
Katodni material litij kobaltov oksid: katodni aktivni material, vir litijevega iona, zagotavlja vir litija za baterijo. Ne-polarna snov, nepravilne oblike, velikost delcev D50 običajno 6-8 μm, vsebnost vlage manj kot ali enaka 0,2 %, običajno alkalna, pH 10-11.
Katodni material litijev manganov oksid: ne{0}}polarna snov, nepravilna oblika, velikost delcev D50 običajno 5–7 μm, vsebnost vlage manj kot ali enaka 0,2 %, običajno šibko alkalna, pH okoli 8.
Prevodno sredstvo: verigi-podobna snov, vsebnost 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{0}}polarna snov, podobna-verigi, molekulska masa v razponu od 300000 do 3000000; molekulska masa se po absorpciji vode zmanjša, kar ima za posledico slabši oprijem. Uporablja se za povezovanje litij-kobaltovega oksida, prevodnega sredstva in aluminijaste folije ali aluminijaste mreže skupaj s promotorjem oprijema (NMP): šibko polarna tekočina, ki se uporablja za raztapljanje/nabrekanje PVDF in hkratno redčenje brozge.
Tokovni zbiralnik (katodni jeziček): iz aluminijaste folije ali aluminijastega traku.
Struktura anode
Struktura celične anode je sestavljena iz grafitnega materiala, prevodnega sredstva, zgoščevalca (CMC), veziva (SBR) in zbiralnika toka (bakrena folija), kot je prikazano na sliki 7-3.
Anodna formulacija ene same celice je tudi ena ključnih temeljnih tehnologij celice, običajno kot sledi:
1) Material anode (grafit): 94,5 %.
2) Prevodno sredstvo (Carbon ECP): 1,0 % (Ketjenblack).
3) Vezivo (stiren-butadien kavčuk lateks, SBR): 2,25 %.
4) Zgoščevalec (karboksimetil celuloza, CMC): 2,25 %.
5) Voda: masno razmerje trdnih snovi je 1600:1417,5.
Previdnostni ukrepi za formulacijo anode:
1) Kontrola viskoznosti anodne brozge pri 5000-6000 cP (temperatura 25 stopinj).
2) Težo vode je treba ustrezno prilagoditi, da ustreza zahtevam glede viskoznosti.
3) Posebno pozornost posvetite vplivu temperature in vlažnosti na viskoznost.
Grafit: anodni aktivni material, glavna snov, ki tvori anodno reakcijo, v glavnem razdeljen v dve veliki kategoriji: naravni grafit in umetni grafit. Ne-polarna snov, zlahka kontaminirana z ne-polarnimi snovmi, zlahka razpršena v ne-polarnih snoveh; ni lahko absorbirati vode, niti ga je enostavno razpršiti v vodi. Kontaminiran grafit se po razpršitvi v vodi nagiba k ponovnemu-aglomeriranju. Splošna velikost delcev D50 je približno 20 μm. Oblike delcev so različne in večinoma nepravilne, večinoma sferične, luskaste, vlaknate itd.
Funkcije prevodnega sredstva:
1) Izboljšajte prevodnost anodne plošče in kompenzirajte elektronsko prevodnost anodnega aktivnega materiala.
2) Povečajte globino reakcije in stopnjo izkoriščenosti.
3) Preprečite nastanek dendritov.
4) Izkoristite sposobnost-vpijanja tekočine prevodnih materialov za povečanje reakcijskega vmesnika in zmanjšanje polarizacije (lahko se doda ali ne glede na porazdelitev velikosti delcev grafita).
Dodatki: Zmanjšajo nepopravljive reakcije, povečajo moč lepljenja in viskoznost gnojevke ter preprečijo usedanje brozge.
Zgoščevalec/sredstvo proti -sedenju (CMC): visokomolekularna spojina, zlahka topna v vodi in polarnih topilih.
Izopropanol: šibko polarna snov; po dodatku lahko zmanjša polarnost raztopine veziva, izboljša združljivost med grafitom in raztopino veziva; ima močan učinek proti penjenju; enostavno katalizira navzkrižno-povezovanje vezivne mreže in izboljša moč lepljenja.
Etanol: šibko polarna snov; po dodatku lahko zmanjša polarnost raztopine veziva, izboljša združljivost med grafitom in raztopino veziva; ima močan učinek proti penjenju; zlahka katalizira linearno navzkrižno-povezovanje veziva in izboljša moč lepljenja (funkciji izopropanola in etanola sta v bistvu enaki; pri množični-proizvodnji je mogoče upoštevati stroškovne dejavnike, da izberete, katerega dodati).
Vezivo na vodni{0}} osnovi (SBR): povezuje grafit, prevodno sredstvo, dodatke in bakreno folijo ali bakreno mrežo skupaj; linearna verižna emulzijska molekula, izjemno topna v vodi in polarnih topilih.
Deionizirana voda (ali destilirana voda): razredčilo, dodano v ustrezni količini, lahko spremeni fluidnost brozge.
Anodni jeziček: iz bakrene folije ali bakrenega traku.
