O que é uma bateria recarregável de íons de lítio?

A bateria de íons de lítio é uma bateria secundária (bateria recarregável) que se baseia principalmente no movimento de íons de lítio entre o eletrodo positivo e o eletrodo negativo para funcionar. Durante o processo de carregamento e descarga, o Li+ é incorporado e desencadeado entre os dois eletrodos: ao carregar, o Li+ é desertado do eletrodo positivo e incorporado no eletrodo negativo através do eletrólito, e o eletrodo negativo está em um estado rico em lítio; Ao descarregar, o oposto é verdadeiro.

Parte 1: Introdução às baterias
As baterias de lítio são divididas em baterias de lítio e baterias de íon de lítio. Telefones celulares e laptops usam baterias de íon de lítio, que são comumente conhecidas como baterias de lítio. As baterias geralmente usam materiais que contêm elementos de lítio como eletrodos e são o representante das baterias modernas de alto desempenho. No entanto, as baterias reais de lítio raramente são usadas em produtos eletrônicos diários devido ao seu alto risco.
As baterias de íons de lítio foram desenvolvidas pela Sony Corporation do Japão em 1990. Ele incorpora íons de lítio em carbono (coque e grafite de petróleo) para formar um eletrodo negativo (as baterias tradicionais de lítio usam lítio ou liga de lítio como eletrodo negativo). O lxcoo2 é comumente usado como material de eletrodo positivo, e lixnio2 e lixmnO4 também são usados. LIPF 6+ carbonato de dietileno (CE)+carbonato de dimetil (DMC) é usado como eletrólito.
O coque e a grafite de petróleo não são tóxicos e abundantes em recursos como materiais de eletrodo negativos. Os íons de lítio são incorporados em carbono, o que supera a alta atividade do lítio e resolve os problemas de segurança das baterias tradicionais de lítio. O lxcoo2 do eletrodo positivo pode atingir um alto nível de desempenho e desempenho e vida útil, o que reduz o custo. Em suma, o desempenho abrangente das baterias de íons de lítio é aprimorado. Espera-se que as baterias de íon de lítio ocupem um grande mercado no século XXI.

Parte 2: diferenças de bateria
As baterias de íon de lítio são facilmente confundidas com as duas baterias a seguir
Baterias de lítio: use o lítio metálico como eletrodo negativo.
Baterias de íons de lítio: use eletrólitos orgânicos líquidos não aquosos.
Baterias de polímero de íons de lítio: use polímeros para gel solventes orgânicos líquidos ou use diretamente eletrólitos sólidos. As baterias de íons de lítio geralmente usam materiais de carbono de grafite como eletrodos negativos.

Parte 3: Tipos principais
De acordo com os diferentes materiais eletrolíticos utilizados em baterias de íon de lítio, as baterias de íon de lítio são divididas em baterias líquidas de íon de lítio (bateria de íon de lítio liquificada, referida como LIB), baterias de íon de lítio condensadas e baterias de íons de polímeros (bateria de íons de lítio, referido PLB).
3.1 baterias líquidas de íons de lítio
As baterias recarregáveis ​​de íons de lítio são as baterias mais usadas em produtos digitais modernos, como telefones celulares e laptops. Portanto, existem componentes de proteção ou circuitos de proteção na bateria para impedir que as baterias caras sejam danificadas. Os requisitos de carregamento da bateria de íons de lítio são muito altos. Para garantir que a precisão da tensão de terminação esteja dentro de ± 1%, os principais fabricantes de dispositivos semicondutores desenvolveram uma variedade de ICs de carregamento de bateria de íons de lítio para garantir um carregamento seguro, confiável e rápido.
Os telefones celulares convencionais estão equipados com baterias de íons de lítio. O uso correto de baterias de íons de lítio é muito importante para prolongar a duração da bateria. Pode ser transformado em retangular, cilíndrico, retangular e em forma de botão, de acordo com os requisitos de diferentes produtos eletrônicos, e existem bateriais compostos por várias baterias conectadas em série e paralelas. A tensão nominal das baterias de íons de lítio geralmente é de 3,7V devido a alterações de material, enquanto a dos eletrodos positivos para fosfato de ferro de lítio é de 3,2V. A tensão de carga final quando totalmente carregada é geralmente de 4,2V e a do fosfato de ferro de lítio é de 3,65V. A tensão de descarga final das baterias de íons de lítio é de 2,75V a 3. 0 V (a fábrica de bateria fornece a faixa de tensão operacional ou a tensão de descarga final, e os parâmetros são ligeiramente diferentes, geralmente 3. 0 v, e o do fosfato de ferro é 2.5V). Continuando a descarregar abaixo de 2,5V (2. 0 V para fosfato de ferro de lítio) é chamado de alta descarga, que danificará a bateria.
As baterias de íons de lítio com materiais do tipo óxido de cobalto de lítio como eletrodos positivos não são adequados para descarga de alta corrente. A descarga excessiva de corrente reduzirá o tempo de descarga (a temperatura mais alta será gerada dentro e a energia será perdida) e poderá ser perigosa; Mas as baterias de lítio com materiais de eletrodos positivos para fosfato de fosfato de lítio podem ser carregados e descarregados em uma alta corrente de 20 ° C ou ainda maior (C é a capacidade da bateria, como C =800 MAH, taxa de carregamento 1C significa que a corrente de carregamento é 800mA), que é particularmente adequada para veículos elétricos. Portanto, o fabricante da bateria fornece a corrente máxima de descarga, que deve ser menor que a corrente de descarga máxima durante o uso.
As baterias de íons de lítio têm certos requisitos de temperatura. A fábrica fornece a faixa de temperatura de carregamento, a faixa de temperatura de descarga e a faixa de temperatura de armazenamento. O carregamento de sobretensão causará danos permanentes às baterias de íons de lítio. A corrente de carregamento das baterias de íons de lítio deve basear-se nas recomendações do fabricante da bateria, e é necessário um circuito de limitação atual para evitar sobrecorrente (superaquecimento).
A taxa de carregamento comumente usada é 0. 25c ~ 1c. Ao carregar com uma corrente grande, a temperatura da bateria é frequentemente detectada para evitar o superaquecimento de danificar a bateria ou causar uma explosão.
O carregamento da bateria de íons de lítio é dividido em dois estágios: carregamento de corrente constante primeiro e depois carregamento constante de tensão quando está próximo da tensão de terminação. Por exemplo, uma bateria com capacidade de 800mAh possui uma tensão de cobrança de terminação de 4.2V. A bateria é carregada em uma corrente constante de 800mA (a taxa de carregamento é 1C). No início, a tensão da bateria aumenta com uma inclinação grande. Quando a tensão da bateria é próxima de 4,2V, ela é alterada para carregamento de tensão constante de 4,2V, a corrente diminui gradualmente e a tensão não muda muito. Quando a corrente de carregamento cai para 1/10-50 c (o valor de configuração de cada fábrica é diferente e não afeta o uso), é considerado próximo e o carregamento pode ser encerrado (alguns carregadores iniciam o cronômetro após 1/10c e encerram o carregamento após um certo período de tempo).
3.2 Bateria de íon de lítio condensado
Em 19 de abril de 2023, a CATL lançou uma bateria condensada com uma densidade de energia de até 500wh/kg, que terá capacidade de produção em massa dentro de 2023.

Parte 4: Princípio de trabalho

As baterias de íons de lítio usam materiais de carbono como eletrodos negativos e compostos contendo lítio como eletrodos positivos. Não há lítio metálico, apenas íons de lítio. Esta é uma bateria de íon de lítio. As baterias de íons de lítio se referem ao termo geral para baterias com compostos incorporados de íons de lítio como materiais de eletrodo positivos. O processo de carregamento e descarga das baterias de íons de lítio é o processo de incorporação e desbobinação de íons de lítio. No processo de incorporação e destruição de íons de lítio, a incorporação e a decepção de elétrons equivalentes a íons de lítio também são acompanhados (é habitual usar incorporação ou decepção para representar o eletrodo positivo e inserção ou de-inserção para representar o eletrodo negativo). No processo de carregamento e descarga, os íons de lítio são incorporados/desaberados e inseridos/inseridos para frente e para trás entre os eletrodos positivos e negativos, que é vividamente chamado de "bateria da cadeira de balanço".
Quando a bateria é carregada, os íons de lítio são gerados no eletrodo positivo da bateria e os íons de lítio gerados se movem para o eletrodo negativo através do eletrólito. O carbono como eletrodo negativo possui uma estrutura em camadas e tem muitos microporos. Os íons de lítio que atingem o eletrodo negativo estão incorporados nos microporos da camada de carbono. Quanto mais íons de lítio forem incorporados, maior a capacidade de carregamento. Da mesma forma, quando a bateria é descarregada (ou seja, o processo de uso da bateria), os íons de lítio incorporados na camada de carbono do eletrodo negativo são liberados e voltam para o eletrodo positivo. Quanto mais íons de lítio que retornam ao eletrodo positivo, maior a capacidade de descarga.
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Geralmente, a corrente de carregamento das baterias de lítio é definida entre 0. 2c e 1c. Quanto maior a corrente, mais rápido o carregamento e maior o calor da bateria. Além disso, se a corrente for muito grande, a capacidade não estará cheia, porque a reação eletroquímica dentro da bateria leva tempo. Assim como derramar cerveja, se você derramar muito rápido, ela produzirá espuma e não estará cheia.

Parte 5: Componentes

Casca de aço/concha de alumínio/série de embalagens cilíndricas/macias
Eletrodo positivo: o material ativo geralmente é óxido de manganês de lítio ou óxido de cobalto de lítio, material de óxido de manganês de cobalto de níquel e bicicletas elétricas geralmente usam óxido de manganês de cobalto de níquel (comumente conhecido como ternário) ou ternário + uma pequena quantidade de óxido de manganês de lítio. O óxido de manganês puro de lítio e o fosfato de ferro lítio estão gradualmente desaparecendo devido a tamanho grande, baixo desempenho ou alto custo. O coletor de corrente condutor usa folha de alumínio eletrolítico com uma espessura de 10-20 microns.
Diafragma: Um filme de polímero especialmente formado com uma estrutura microporosa que permite que os íons de lítio passem livremente, mas os elétrons não podem passar.
Eletrodo negativo: o material ativo é grafite ou carbono com uma estrutura semelhante a grafite, e o coletor de corrente condutor usa folha de cobre eletrolítica com uma espessura de 7-15 microns.
Eletrólito: solventes de carbonato que dissolvem o hexafluorofosfato de lítio, enquanto os polímeros usam eletrólitos de gel.
Casca da bateria: dividido em casca de aço (raramente usada em baterias quadradas), casca de alumínio, concha de ferro níquel (usada em baterias cilíndricas), filme plástico de alumínio (embalagem macia) etc., bem como a tampa da bateria, que também é o terminal positivo e negativo da bateria.

Parte 6: Composição da bateria

Como todas as baterias químicas, as baterias de íons de lítio também são compostas por três partes: eletrodo positivo, eletrodo negativo e eletrólito. Os materiais do eletrodo são todos íons de lítio que podem ser incorporados (inseridos)/desbobinado (desviado).
6.1 Materiais de eletrodo positivos
1) Materiais de eletrodo positivos
Existem muitos materiais de eletrodo positivos opcionais e os produtos principais usam principalmente fosfato de ferro de lítio. Comparação de diferentes materiais de eletrodo positivo:

2) reação positiva do eletrodo
Os íons de lítio são inseridos durante a alta e deintercalados durante a carga.
Ao carregar: LIFEPO4 → Li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
Quando descarregar: li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → LifePo4
6.2 Materiais de eletrodo negativo
1) Materiais de eletrodo negativo
A grafite é usada principalmente. Novas pesquisas descobriram que os titanatos podem ser um material melhor. Reação do eletrodo negativo: Os íons de lítio são inseridos durante a carga e deintercalados durante a descarga.
Ao carregar: xli ++ xe -+ 6 c → lxc6
Quando descarregar: lxc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Geralmente dividido nas seguintes categorias:
Materiais de eletrodo negativo de carbono: Os materiais de eletrodo negativo realmente usados ​​em baterias de íons de lítio são basicamente materiais de carbono, como grafite artificial, grafite natural, microesferas de carbono mesofase, coque de petróleo, fibra de carbono, carbono de resina pirolítica, etc.
Materiais de eletrodo negativo à base de estanho: Os materiais de eletrodo negativo à base de estanho podem ser divididos em dois tipos: óxido de estanho e óxido composto à base de estanho. Óxido refere -se a óxidos de vários estados de valência da lata de metal. Não há produtos comerciais.
Nitreto de metal de transição contendo lítio Materiais de eletrodo negativo: sem produtos comerciais.
LELO O eletrodo negativo Materiais: incluindo ligas à base de estanho, ligas à base de silício, ligas à base de germânio, ligas à base de alumínio, ligas à base de antimônios, ligas à base de magnésio e outras ligas, sem produtos comerciais.
Materiais de eletrodo negativo em escala nano: Nano Tubos de carbono, materiais de liga de nano.
Os materiais de nano são materiais de nano óxido: de acordo com as mais recentes tendências de desenvolvimento de mercado da indústria de novas energia da bateria de lítio em 2009, muitas empresas começaram a usar óxido de titânio de nano e óxido de nano de silício para adicionar aos tempos tradicionais de grafite, óxido de estanho e teatro de nano.
6.3 eletrólito
Soluto: Os sais de lítio são frequentemente usados, como o perclorato de lítio (Liclo4), o hexafluorofosfato de lítio (LIPF6) e o tetrafluoroboror de lítio (libf4).
Solvent: Since the working voltage of the battery is much higher than the decomposition voltage of water, organic solvents are often used in lithium-ion batteries, such as ether, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, etc. Organic solvents often destroy the structure of graphite during charging, causing it to peel off and form a solid electrolyte interphase (SEI) on its surface, resulting in electrode passivation. Solventes orgânicos também trazem questões de segurança, como inflamabilidade e explosão.
6.4 revestimento condutor
Folha de alumínio revestido de carbono para baterias (revestimento condutor)
Vantagens de folha de alumínio revestido de carbono em aplicações de bateria de íons de lítio
Inibir a polarização da bateria, reduzir os efeitos térmicos e melhorar o desempenho da taxa;
Reduza a resistência interna da bateria e reduza significativamente o aumento dinâmico da resistência interna durante o processo do ciclo;
Alta consistência, aumentar a vida útil do ciclo da bateria;
Alta adesão entre substâncias ativas e coletores atuais, reduzindo o custo de fabricação de peças de poste;
Proteja o colecionador atual de ser corroído pelo eletrólito;
Melhore o desempenho do processamento dos materiais de fosfato de ferro e lítio de lítio.
O uso de revestimentos funcionais para tratar a superfície do substrato condutor da bateria é uma inovação tecnológica inovadora. A folha de alumínio com revestimento de carbono/folha de cobre deve revestir uniformemente e finamente as grafite nano-condutor dispersa e partículas revestidas de carbono na folha de alumínio/papel de cobre. Ele pode fornecer excelente condutividade estática e coletar a microcorrente do material ativo, reduzindo bastante a resistência de contato entre o material de eletrodo positivo/negativo e o coletor e pode melhorar a adesão entre os dois, o que pode reduzir a quantidade de ligante utilizada, melhorando significativamente o desempenho geral da bateria. O revestimento é dividido em dois tipos: baseado em água (sistema aquoso) e baseado em óleo (sistema de solvente orgânico).

Parte 7: Vantagens e desvantagens

7.1 Vantagens
Alta tensão: a tensão de operação de uma única célula é de até 3. 7-3. 8V (3,2V para fosfato de ferro de lítio), que é 3 vezes o das baterias Ni-CD e Ni-MH.
Grande energia específica: a energia específica real que pode ser alcançada é de cerca de 555wh/kg, ou seja, o material pode atingir uma capacidade específica de mais de 150mAh/g (3-4 vezes a do ni-CD, 2-3 vezes o do ni-MH), que é próximo a 88% de seu valor teórico.
Vida de bicicleta longa: Geralmente, pode atingir mais de 500 vezes, ou mais de 1000 vezes, e o fosfato de ferro de lítio pode atingir 8000 vezes. Para aparelhos elétricos com pequena descarga de corrente, a vida útil da bateria dobrará a competitividade do aparelho.
Bom desempenho de segurança: sem poluição, sem efeito de memória. Como o antecessor do íon de lítio, as baterias de lítio reduziram suas áreas de aplicação porque o lítio metálico é fácil de formar dendritos e curto-circuito: o íon de lítio não contém cádmio, chumbo, mercúrio e outros elementos que poluem o meio ambiente; Uma grande desvantagem das baterias Ni-CD em alguns processos (como a sinterização) é o "efeito da memória", que restringe seriamente o uso de baterias, mas o íon de Li não tem esse problema.
Baixa auto-descarga: A taxa de auto-descarga de baterias de íon de lítio totalmente carregadas armazenadas à temperatura ambiente por um mês é de cerca de 2%, o que é muito menor que o 25-30% de ni-cd e 30-35}% de ni-mh.
Carregamento rápido: a capacidade de cobrança 1C por 30 minutos pode atingir mais de 80% da capacidade nominal, e a bateria de ferro-fósforo pode ser carregada para 90% da capacidade nominal em 10 minutos.
Temperatura operacional: a temperatura operacional é -25 ~ 45 graus. Com a melhoria do eletrólito e do eletrodo positivo, espera -se que seja expandido para -40 ~ 70 graus.
7.2 Desvantagens
Envelhecimento: Ao contrário de outras baterias recarregáveis, a capacidade das baterias de íons de lítio diminuirá lentamente, o que está relacionado ao número de vezes usado e à temperatura. Esse fenômeno de declínio pode ser expresso por uma diminuição na capacidade ou um aumento na resistência interna. Por estar relacionado à temperatura, é mais provável que se reflete em produtos eletrônicos com alta corrente de trabalho. Substituir a grafite pelo titanato de lítio parece prolongar a vida. A relação entre a temperatura de armazenamento e a taxa de perda de capacidade permanente: