แบตเตอรี่ Li-ion ในตัว - การก่อสร้างและการทำงาน

- Apr 15, 2020-

คิดค้นครั้งแรกในปี 1970 และผลิตในเชิงพาณิชย์โดย Sony ในปี 1991

คิดค้นขึ้นครั้งแรกในปี 1970 และผลิตในเชิงพาณิชย์โดย Sony ในปี 1991 ปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนถูกใช้ในเครื่องบินโทรศัพท์มือถือและรถยนต์ ในบทความนี้เราจะพูดถึงการสร้างและการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในตัว


แบตเตอรี่ Li-ion ถูกสร้างขึ้นอย่างไร?


Sony ผลิตเครื่องชาร์จรุ่นแรกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนตามแนวคิดของศักย์ไฟฟ้าเคมี ลิเทียมซึ่งมีแนวโน้มสูงสุดในการสูญเสียอิเล็กตรอนถูกนำมาใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน. ลิเทียมมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในเปลือกของมันด้วยเหตุนี้จึงต้องการสูญเสียอิเล็กตรอนนั้นไปเสมอ ลิเทียมบริสุทธิ์เป็นโลหะที่มีปฏิกิริยาสูง อย่างไรก็ตามมันจะทำปฏิกิริยากับอากาศและน้ำ


เคล็ดลับในการสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคือลิเธียมที่บริสุทธิ์ที่สุดคือโลหะที่ใช้งานอยู่ อย่างไรก็ตามเมื่อลิเธียมเป็นส่วนหนึ่งของออกไซด์ของโลหะจะมีความเสถียรมาก สมมติว่าเราแยกอะตอมของลิเทียมออกจากโลหะออกไซด์ อะตอมของลิเธียมนี้ไม่เสถียรอย่างยิ่งและจะสร้างลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอนทันที อย่างไรก็ตามลิเธียมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของออกไซด์ของโลหะนั้นมีความเสถียรมากกว่านั้นมาก หากสามารถระบุเส้นทางที่แตกต่างกันสองเส้นทางสำหรับการไหลของลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอนระหว่างลิเธียมและออกไซด์ของโลหะอะตอมของลิเธียมจะไปถึงส่วนโลหะออกไซด์โดยอัตโนมัติ ในกระบวนการนี้เราสร้างกระแสไฟฟ้าจากการไหลของอิเล็กตรอนผ่านเส้นทาง จากการสนทนานี้เป็นที่ชัดเจนว่าถ้าเราแยกอะตอมของลิเธียมออกจากลิเธียมเมทัลออกไซด์ก่อนแล้วนำอิเล็กตรอนที่หลงทางจากอะตอมของลิเธียมเหล่านี้ผ่านวงจรภายนอกเราจะได้รับจากลิเธียมเมทัลออกไซด์ที่สร้างกระแสไฟฟ้า


80.jpg


ในแบตเตอรี่จริงกราไฟต์และออกไซด์ของโลหะหุ้มด้วยแผ่นทองแดงและอลูมิเนียม ที่นี่คุณสามารถถอดใบไม้ออกเป็นตัวสะสมกระแสและขั้วต่อบวกและลบจากตัวเก็บกระแสได้อย่างง่ายดาย เกลือลิเธียมทำหน้าที่เป็นอิเล็กโทรไลต์และเคลือบบนตัวคั่น แผ่นทั้งสามห่อด้วยกระบอกสูบรอบแกนเหล็กตรงกลางทำให้แบตเตอรี่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น



คุณต้องการวัสดุอะไรในการสร้างไฟล์แบตเตอรี่ Li-ion?


วัสดุแคโทด

วัสดุทั่วไปที่สามารถใช้เป็นแคโทดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ ลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ลิเธียมแมงกานีส - ออกไซด์วานาเดียมออกไซด์และลิเธียมออกไซด์แบบชาร์จไฟได้ ออกไซด์สิบเอ็ดถึงสิบสองชั้นซึ่งมีนิกเกิลและโคบอลต์เป็นวัสดุที่ใช้มากที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน พวกเขามีความเสถียรสูงในช่วงไฟฟ้าแรงสูง แต่โดยธรรมชาติแล้วโคบอลต์มีความพร้อมใช้งานต่ำมากและเป็นพิษซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบอย่างมากสำหรับการผลิตจำนวนมาก แมงกานีสให้ความสามารถในอัตราที่ยอดเยี่ยมและการทดแทนต้นทุนต่ำโดยมีเกณฑ์ความร้อนสูง แต่มีพฤติกรรมการขี่จักรยานที่ จำกัด ดังนั้นส่วนผสมของโคบอลต์นิกเกิลและแมงกานีสจึงมักใช้เพื่อรวมลักษณะที่ดีที่สุดและลดข้อเสียให้น้อยที่สุด


วัสดุแอโนด

วัสดุแอโนดทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ได้แก่ กราไฟต์ลิเธียมวัสดุผสมลิเธียมและซิลิกอน ลิเธียมเป็นที่ทราบกันดีว่าเป็นวัสดุที่ตรงไปตรงมา แต่นำเสนอปัญหาเกี่ยวกับการเติบโตของเดนไดรติกและพฤติกรรมการขี่จักรยานซึ่งนำไปสู่การลัดวงจร ความพยายามมากมายในการใช้กราไฟท์หลากหลายสายพันธุ์ทำให้กำลังการผลิตเพิ่มขึ้น แต่มาพร้อมกับต้นทุนราคาการแปรรูปที่สูง ซิลิคอนมีความจุสูงมากประมาณ 4,199 mAh / g แต่แสดงพฤติกรรมการปั่นจักรยานที่ไม่ดีและยังไม่เข้าใจความจุที่ซีดจาง


อิเล็กโทรไลต์

แบตเตอรี่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานและปลอดภัยต้องการอิเล็กโทรไลต์ที่แข็งแรงซึ่งสามารถต้านทานแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิสูงที่มีอยู่ได้และยังมีอายุการใช้งานยาวนานในขณะที่ให้ความคล่องตัวสูงสำหรับลิเธียมไอออน ประเภท ได้แก่ โพลิเมอร์ของเหลวและอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง อิเล็กโทรไลต์เหลวส่วนใหญ่เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่ใช้ตัวทำละลายและอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่มี LiPF6, LiBC4O8 (LiBOB) หรือคล้ายกัน ความไวไฟของพวกเขาเป็นสิ่งสำคัญที่สุดที่ต้องพิจารณา ดังนั้นการระเบิดหรือการระบายอากาศของเซลล์และทำให้แบตเตอรี่ก่อให้เกิดอันตราย


ตัวแยก

ตัวคั่นจะแยกอิเล็กโทรดทั้งสองออกจากกันทางกายภาพเพื่อป้องกันการลัดวงจร ในกล่องอิเล็กโทรไลต์เหลวตัวคั่นจะทำงานเป็นวัสดุโฟมที่ชุบอิเล็กโทรไลต์และยึดเข้า

23.png


ส่วนประกอบของแบตเตอรี่ Li-ion ทำงานอย่างไร?

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ใช้งานได้จริงใช้อิเล็กโทรไลต์และกราไฟต์ กราไฟท์มีโครงสร้างเป็นชั้น ๆ และชั้นเหล่านี้จะถูกผูกมัดอย่างยืดหยุ่นเพื่อให้สามารถจัดเก็บลิเธียมไอออนที่แยกจากกันได้อย่างง่ายดายที่นี่ อิเล็กโทรไลต์ระหว่างแกรไฟต์ในออกไซด์ของโลหะทำหน้าที่ป้องกันโดยให้ลิเธียมไอออนเข้าไปเท่านั้น



ตอนนี้ให้&# 39 ดูว่าเกิดอะไรขึ้นเมื่อเชื่อมต่อสายไฟกับการกำหนดค่านี้ ขั้วบวกของแหล่งพลังงานดึงดูดและกำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของลิเธียมของโลหะออกไซด์อย่างเห็นได้ชัด อิเล็กตรอนเหล่านี้ไหลผ่านวงจรภายนอกเนื่องจากไม่สามารถไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์และไปถึงชั้นกราไฟต์ได้ ในขณะเดียวกันลิเธียมไอออนที่มีประจุบวกจะถูกดึงดูดไปที่ขั้วลบและไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์ ลิเธียมไอออนไปถึงช่องว่างของชั้นกราไฟท์และติดอยู่ เมื่ออะตอมของลิเธียมทั้งหมดโดนสะเก็ดผงหมึกแพ็คพุพองจะชาร์จเต็ม ดังนั้นเราจึงบรรลุเป้าหมายแรกคือลิเธียมไอออนและอิเล็กตรอนที่คั่นด้วยออกไซด์ของโลหะ


ดังที่เราได้กล่าวไปแล้วนี่เป็นสถานการณ์ที่ไม่มั่นคงเมื่อปีนภูเขา หลังจากถอดแหล่งจ่ายไฟและเชื่อมต่อโหลดเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าลิเธียมไอออนหวังว่าจะกลับสู่สถานะเสถียรในฐานะส่วนหนึ่งของโลหะไอออนลิเธียมจะเคลื่อนที่ผ่านอิเล็กโทรไลต์และอิเล็กโทรไลต์จะชาร์จมันราวกับว่าเขาลื่นไถลลงเขา . ด้วยวิธีนี้เราสามารถจ่ายพลังงานผ่านโหลด


โปรดทราบว่ากราไฟต์ไม่มีส่วนในปฏิกิริยาทางเคมีของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน กราไฟท์เป็นเพียงสื่อเก็บข้อมูลลิเธียมไอออนเท่านั้น หากอุณหภูมิภายในของแบตเตอรี่สูงขึ้นเนื่องจากสภาวะผิดปกติอิเล็กโทรไลต์เหลวจะแห้งและเกิดการลัดวงจรระหว่างขั้วบวกและขั้วลบซึ่งอาจทำให้เกิดไฟไหม้หรือระเบิดได้ เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ชั้นฉนวนที่เรียกว่าตัวคั่นจะถูกวางไว้ระหว่างอิเล็กโทรด ตัวคั่นสามารถซึมผ่านไปยังลิเธียมไอออนได้เนื่องจากมีรูพรุนขนาดเล็ก


คู่ของ:โมเมนตัมแบรนด์อิสระด้านพลังงานใหม่ของแนวทางนโยบายเพื่อเพิ่มแรงกดดันเป็นสองเท่า ถัดไป:การใช้งานแบตเตอรี่ 18650 การใช้งานข้อดีและการทดสอบ