Hva er battericelle?
Cellestruktur
Et enkelt batteri, også kjent som en "celle", er den minste enheten i et batterisystem. Den er hovedsakelig sammensatt av katode (katodeelektrode), anode (anodeelektrode), elektrolytt (elektrolytt), separator (separator) og hus (hus), som vist i figur 7-1.
Elektrodearket til en litium-ioncelle kan kategoriseres som et komposittmateriale, hovedsakelig bestående av fire deler:
1) Aktive materialpartikler som interkalerer eller deinterkalerer litiumioner; katodepartikler gir litiumkilden, mens anodepartikler aksepterer litiumioner.
2) Den ledende fasen (karbongelfasen) dannet av blandingen av ledende middel og strømkollektor, med bindemidlet som har en bindefunksjon; belegget leder elektroner gjennom strømsamleren og ledende middel.
3) Porer fylt med elektrolytt, som fungerer som kanaler for litium-iontransport i elektrodeplaten.
4) Nåværende samler.
Under den elektrokjemiske prosessen involverer elektrodebelegget hovedsakelig følgende 4 prosesser:
1) Elektrontransport.
2) Ionetransport.
3) Ladningsutveksling ved grensesnittet mellom elektrolytt og elektrodepartikkel, dvs. den elektrokjemiske reaksjonen.
4) Diffusjon av litiumioner i den faste fasen. I mikrostrukturen til elektrodearket påvirker partikkelstørrelse og fordeling litium-ionediffusjonsbanen og det spesifikke overflatearealet til den elektrokjemiske reaksjonen; porestørrelse og distribusjon påvirker transportprosessen til elektrolytten; porøsitet påvirker mengden aktivt materiale og det spesifikke overflatearealet til den elektrokjemiske reaksjonen. Alle disse mikrostrukturelle egenskapene påvirker til syvende og sist batteriytelsen.
Katodestruktur
Cellekatoden er hovedsakelig sammensatt av katodematerialer som LiCoO₂, ledende middel, bindemiddel (PVDF) og strømkollektor (aluminiumsfolie), som vist i figur 7-2.
For litium-ionbatterier er katodestrømkollektoren vanligvis aluminiumsfolie og anodestrømkollektoren erkobberfolie. For å sikre stabiliteten til strømkollektoren inne i batteriet, må renheten til begge være over 98 %. Årsakene til at litium-ionbatterier bruker aluminiumsfolie for katoden og kobberfolie for anoden er følgende 3 punkter:
1) Kobber og aluminium har god elektrisk ledningsevne, myk tekstur og lav pris. Arbeidsprinsippet til et litium-ionbatteri er en elektrokjemisk enhet som konverterer kjemisk energi til elektrisk energi. I denne prosessen kreves det et medium for å overføre den kjemiske energien til elektrisk energi, som krever et ledende materiale. Blant vanlige materialer har metaller den beste elektriske ledningsevnen, og blant metaller tilbyr kobber og aluminium både utmerket ledningsevne og relativt lav pris i form av kobberfolie og aluminiumsfolie. I litium-ionbatterier er det hovedsakelig to behandlingsmetoder: vikling og stabling. Sammenlignet med stabling krever vikling at elektrodeplatene som brukes til å klargjøre batteriet har en viss fleksibilitet for å sikre at elektrodeplatene ikke blir sprø eller går i stykker under viklingen. Blant metallmaterialer er kobber- og aluminiumsfolier myke, relativt harde kobber-/aluminiumsfolier er dyre, kobber- og aluminiumsfolier er relativt billige, og kobber- og aluminiumsressurser er rikelig over hele verden.
2) Kobber- og aluminiumsfolier er også relativt stabile i luft. Aluminium reagerer lett kjemisk med oksygen i luften for å danne en tett oksidfilm på overflaten, og forhindrer videre reaksjon av aluminiumet. Denne oksidfilmen av kobber/aluminium gir også en viss beskyttende effekt på aluminium i elektrolytten. Kobber i seg selv er relativt stabilt i luft og gjennomgår i utgangspunktet ikke kjemiske reaksjoner i tørr luft.
3) Katode- og anodepotensialene til litium-ionbatterier bestemmer at aluminiumsfolie brukes til katoden og kobberfolien for anoden, og de kan ikke reverseres. Katodepotensialet er høyt, og kobberfolie oksideres lett ved høyt potensial, mens aluminium har et høyt oksidasjonspotensial og en tett oksidfilm på overflatelaget, som også gir god beskyttelse for det indre aluminiumet.
I krystallgitteret til metallisk aluminium har kobber og aluminium størrelser som ligner på Li og kan lett danne intermetalliske forbindelser med Li som LiAl. Li og Al kan ikke bare danne legeringen med den kjemiske formelen LiAl, men kan også danne Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al og Li₂Al-legeringslag. Disse legeringslagene bruker en stor mengde Li og skader strukturen og morfologien til Al selv, så den kan ikke brukes som anodestrømsamleren til litium-ionbatterier; mens Cu gjennomgår svært lite oppløsning under batterilading-og opprettholder strukturell og elektrokjemisk stabilitet, noe som gjør den egnet som anodestrømsamler for litium-ionbatterier. For kobberfolie ved 3,5V begynner polarisasjonsstrømmen å øke betydelig og stiger lineært, med intensivert oksidasjon, noe som indikerer at Cu også begynner å oppløses i batteriet; mens for aluminiumsfolie over hele polarisasjonspotensialområdet er polarisasjonsstrømmen liten og stabil, uten noen åpenbare korrosjonsfenomener som opprettholder elektrokjemisk stabilitet. Siden oppløsningsmengden av Al i katodepotensialområdet til litium-ionbatterier er ekstremt liten og elektrokjemisk stabilitet kan opprettholdes, er den egnet som katodestrømkollektor for litium-ionbatterier.
Oksydlaget på kobber/aluminiumsoverflater tilhører halvledere og leder elektroner; hvis oksidlaget er for tykt, er impedansen stor; mens aluminiumoksidlaget på aluminiumsoverflaten er en isolator og ikke kan lede elektrisitet, men fordi det er veldig tynt, oppnås elektronledning gjennom tunneleffekten; hvis oksidlaget er tykt, er ledningsevnen til kobber/aluminiumsfolie dårlig eller til og med isolerende. Generelt må kobber/aluminiumsfolie renses for oksidlaget før bruk for å fjerne olje på den ene siden og tykke oksidlag på den andre. Katodepotensialet er høyt, og aluminiumoksidlaget er svært tett, noe som kan forhindre oksidasjon av strømkollektoren. Oksydlag av kobber/nikkel etc. er relativt løse, og hindrer lett strømsamleren og gir bedre batteriytelse. Samtidig er anodepotensialet til litium-ionbatterier lavt, og kobber/nikkel vil gjennomgå oksidasjonsreaksjoner, med oksidasjons/kobber/de-lithieringsreaksjoner som oppstår på kobber/nikkeloverflaten, mens aluminium gjennomgår LiAl-legering ved høyt potensial.
Strømsamleren krever ren komposisjon. Urenheter i Al vil gjøre overflatefilmen mindre tett og forårsake gropkorrosjon, og enda mer alvorlig fører ødeleggelse av overflatefilmen til dannelse av LiAl-legering.
Strømsamleren krever ren komposisjon. Urenheter i Al vil føre til at overflatefilmen blir mindre tett, noe som fører til gropkorrosjon, og enda verre, ødeleggelse av overflatefilmen resulterer i dannelsen av LiAl-legering.
For litium-ion-batterier er katode-aluminiumsfolien redusert fra 16μm til 14μm, deretter til 12μm, og nå er 10μm aluminiumsfolie allerede i masseproduksjon, og noen bruker til og med 8μm; For anode-kobberfolien, på grunn av dens iboende bedre fleksibilitet, er tykkelsen redusert fra tidligere 12μm til 10μm, deretter til 8μm, og for tiden masseproduseres en stor del av batteriene ved bruk av 6μm, mens noen produsenter utvikler 5μm/4μm som også er potensielt brukbare. Siden litium-ion-batterier har høye renhetskrav for kobberfolien som brukes, er materialtettheten stort sett på samme nivå. Ettersom tykkelsen under utvikling avtar, reduseres arealtettheten tilsvarende, og vekten av batteriet blir naturlig lettere og lettere, noe som dekker etterspørselen etter litium{16}}ion-batterier.
For strømkollektorer, i tillegg til at tykkelsen og vekten deres påvirker litium-ionbatterier, har overflateegenskapene til strømkollektoren også en betydelig innvirkning på batteriproduksjonen og ytelsen. Spesielt for anodestrømsamleren, på grunn av defekter i klargjøringsteknologien, er kobberfoliene på markedet hovedsakelig enkelt-ruede, dobbel-ruede og dobbeltsidige grove varianter. Denne asymmetriske to-strukturen vil føre til asymmetrisk kontaktmotstand til anodebelegget på begge sider, og forhindrer derved jevn frigjøring av anodekapasitet på begge sider; samtidig vil asymmetrien på begge sider også forårsake inkonsekvent adhesjonsstyrke til anodebelegget, noe som resulterer i alvorlig ubalansert ladnings-utladningssykluslevetid for anodebelegget på begge sider, noe som igjen akselererer kapasitetsreduksjonen til batteriet.
Katodeformuleringen til en enkelt celle er cellens nøkkelkjerneteknologi. Nedenfor er et eksempel:
1)LiCoO₂ (10μm): 96,0%.
2) Ledende middel (Carbon ECP): 2,0 %.
3) Bindemiddel (PVDF 761): 2,0 %.
4) Adhesjonsfremmende middel (NMP): Vektforholdet mellom faste stoffer er omtrent 810:1496.
Forholdsregler for katodeformulering:
1) Viskositetskontroll for katodeslam ved 6000cP (1cP=1mPa · s) (temperatur 25 grader).
2) Vekten av NMP må justeres riktig for å møte viskositetskravet.
3) Vær spesielt oppmerksom på påvirkningen av temperatur og fuktighet på viskositeten.
Katodemateriale litiumkoboltoksid: Katodeaktivt materiale, litiumionekilde, gir litiumkilde for batteriet. Ikke-polart stoff, uregelmessig form, partikkelstørrelse D50 generelt 6-8μm, fuktighetsinnhold Mindre enn eller lik 0,2 %, vanligvis alkalisk, pH 10-11.
Katodemateriale litiummanganoksid: Ikke-polart stoff, uregelmessig form, partikkelstørrelse D50 vanligvis 5-7μm, fuktighetsinnhold Mindre enn eller lik 0,2 %, vanligvis svakt alkalisk, pH rundt 8.
Ledende middel: kjede-lignende stoff, fuktighetsinnhold<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.
Bindemiddel (PVDF): Ikke-polart stoff, kjedelignende-, molekylvekt fra 300 000 til 3000000; molekylvekten reduseres etter vannabsorpsjon, noe som resulterer i dårligere vedheft. Den brukes til å binde litiumkoboltoksid, ledende middel og aluminiumsfolie eller aluminiumsnett til Adhesion promoter (NMP): Svak polar væske, brukt til å løse opp/svelle PVDF og samtidig fortynne slurryen.
Strømsamler (katodeflik): Laget av aluminiumsfolie eller aluminiumslist.
Anodestruktur
Celleanodestrukturen består av grafittmateriale, ledende middel, fortykningsmiddel (CMC), bindemiddel (SBR) og strømkollektor (kobberfolie), som vist i figur 7-3.
Anodeformuleringen til en enkelt celle er også en av de viktigste kjerneteknologiene til cellen, typisk som følger:
1) Anodemateriale (grafitt): 94,5%.
2) Ledende middel (Carbon ECP): 1,0 % (Ketjenblack).
3) Bindemiddel (styren-butadiengummilateks, SBR): 2,25 %.
4)Fortykningsmiddel (karboksymetylcellulose, CMC): 2,25 %.
5)Vann: Vektforholdet mellom faste stoffer er 1600:1417,5.
Forholdsregler for anodeformulering:
1) Viskositetskontroll for anodeslurry ved 5000-6000cP (temperatur 25 grader).
2) Vekten av vann må justeres riktig for å møte viskositetskravet.
3) Vær spesielt oppmerksom på påvirkningen av temperatur og fuktighet på viskositeten.
Grafitt: Anodeaktivt materiale, hovedstoffet som utgjør anodereaksjonen, hovedsakelig delt inn i to hovedkategorier: naturlig grafitt og kunstig grafitt. Ikke-polare substans, lett forurenset av ikke-polare substanser, lett spredt i ikke-polare substanser; ikke lett å absorbere vann, og heller ikke lett å spre i vann. Forurenset grafitt, etter å ha blitt dispergert i vann, har en tendens til å re-agglomere. Den generelle partikkelstørrelsen D50 er rundt 20μm. Partikkelformer er forskjellige og for det meste uregelmessige, hovedsakelig sfæriske, flassende, fibrøse, etc.
Funksjoner av ledende middel:
1) Forbedre ledningsevnen til anodeplaten og kompenser for den elektroniske ledningsevnen til det anodeaktive materialet.
2) Øk reaksjonsdybden og utnyttelsesgraden.
3) Hindre dannelsen av dendritter.
4) Utnytt den væskeabsorberende kapasiteten til ledende materialer for å øke reaksjonsgrensesnittet og redusere polarisering (kan legges til eller ikke i henhold til grafittpartikkelstørrelsesfordeling).
Tilsetningsstoffer: Reduserer irreversible reaksjoner, øker bindingsstyrke og slurryviskositet, og forhindrer slurrysedimentering.
Fortykningsmiddel/anti-sedimenteringsmiddel (CMC): Høymolekylær forbindelse, lett løselig i vann og polare løsemidler.
Isopropanol: Svak polar substans; etter tilsetning kan det redusere polariteten til bindemiddelløsningen, forbedre kompatibiliteten mellom grafitt og bindemiddelløsning; har sterk defoaming effekt; katalyserer enkelt krysskoblingen- av bindernettverk og forbedrer bindingsstyrken.
Etanol: Svak polar substans; etter tilsetning kan det redusere polariteten til bindemiddelløsningen, forbedre kompatibiliteten mellom grafitt og bindemiddelløsning; har sterk defoaming effekt; katalyserer enkelt lineær tverrbinding- av bindemiddel og forbedrer bindingsstyrken (funksjonene til isopropanol og etanol er i hovedsak de samme; ved masse-produksjon kan kostnadsfaktorer vurderes for å velge hvilken som skal legges til).
Vann-basert bindemiddel (SBR): binder grafitt, ledende middel, tilsetningsstoffer og kobberfolie eller kobbernett sammen; lineær kjede-emulsjonsmolekyl, ekstremt løselig i vann og polare løsningsmidler.
Avionisert vann (eller destillert vann): Fortynningsmiddel, tilsatt i passende mengde, kan endre flyten til slurryen.
Anodeflik: Laget av kobberfolie eller kobberlist.
