Apa itu baterai isi ulang lithium-ion?

Baterai lithium-ion adalah baterai sekunder (baterai isi ulang) yang terutama bergantung pada pergerakan ion lithium antara elektroda positif dan elektroda negatif untuk bekerja. Selama proses pengisian dan pelepasan, Li+ tertanam dan tidak tertanam di antara kedua elektroda: ketika pengisian daya, Li+ tidak ditanamkan dari elektroda positif dan tertanam dalam elektroda negatif melalui elektrolit, dan elektroda negatif dalam keadaan kaya lithium; Saat mengeluarkan, yang sebaliknya adalah benar.

Bagian 1: Pengantar Baterai
Baterai lithium dibagi menjadi baterai lithium dan baterai lithium-ion. Ponsel dan laptop menggunakan baterai lithium-ion, yang umumnya dikenal sebagai baterai lithium. Baterai umumnya menggunakan bahan yang mengandung elemen lithium sebagai elektroda dan merupakan perwakilan dari baterai kinerja tinggi modern. Namun, baterai lithium nyata jarang digunakan dalam produk elektronik harian karena risiko tinggi.
Baterai lithium-ion pertama kali dikembangkan oleh Sony Corporation of Japan pada tahun 1990. Ini menanamkan ion lithium menjadi karbon (minyak bumi dan grafit) untuk membentuk elektroda negatif (baterai lithium tradisional menggunakan lithium atau paduan lithium sebagai elektroda negatif). LixCOO2 umumnya digunakan sebagai bahan elektroda positif, dan lixnio2 dan lixmno4 juga digunakan. Lipf 6+ Diethylene carbonate (EC)+dimethyl carbonate (DMC) digunakan sebagai elektrolit.
Coke dan grafit minyak bumi tidak beracun dan berlimpah dalam sumber daya sebagai bahan elektroda negatif. Ion lithium tertanam dalam karbon, yang mengatasi tingginya aktivitas lithium dan memecahkan masalah keamanan baterai lithium tradisional. LixCOO2 elektroda positif dapat mencapai tingkat tinggi yang bertanggung jawab dan membebaskan kinerja dan kehidupan, yang mengurangi biaya. Singkatnya, kinerja komprehensif baterai lithium-ion ditingkatkan. Diharapkan bahwa baterai lithium-ion akan menempati pasar besar di abad ke-21.

Bagian 2: Perbedaan Baterai
Baterai lithium-ion mudah dikacaukan dengan dua baterai berikut
Baterai lithium: Gunakan lithium logam sebagai elektroda negatif.
Baterai lithium-ion: Gunakan elektrolit organik cair yang tidak berair.
Baterai polimer lithium-ion: Gunakan polimer untuk gel pelarut organik cair, atau langsung menggunakan elektrolit semua-padat. Baterai lithium-ion umumnya menggunakan bahan karbon grafit sebagai elektroda negatif.

Bagian 3: Jenis Utama
Menurut berbagai bahan elektrolit yang digunakan dalam baterai lithium-ion, baterai lithium-ion dibagi menjadi baterai lithium-ion cair (baterai lithium-ion yang dicairkan, disebut sebagai LIB), baterai lithium-ion terkondensasi dan baterai lithium-ion polimer (baterai lithium-lithium polimer, sebagai PLB).
3.1 Baterai Lithium-Ion Cair
Baterai lithium-ion yang dapat diisi ulang adalah baterai yang paling banyak digunakan dalam produk digital modern seperti ponsel dan laptop. Oleh karena itu, ada komponen pelindung atau sirkuit perlindungan pada baterai untuk mencegah baterai mahal rusak. Persyaratan pengisian baterai lithium-ion sangat tinggi. Untuk memastikan bahwa akurasi tegangan terminasi berada dalam ± 1%, produsen perangkat semikonduktor utama telah mengembangkan berbagai IC pengisian baterai lithium-ion untuk memastikan pengisian yang aman, andal, dan cepat.
Ponsel utama dilengkapi dengan baterai lithium-ion. Penggunaan baterai lithium-ion yang benar sangat penting untuk memperpanjang masa pakai baterai. Ini dapat dibuat menjadi persegi panjang, silindris, persegi panjang dan berbentuk tombol sesuai dengan persyaratan produk elektronik yang berbeda, dan ada paket baterai yang terdiri dari beberapa baterai yang terhubung secara seri dan paralel. Tegangan pengenal baterai lithium-ion umumnya 3,7V karena perubahan material, sedangkan elektroda positif lithium besi fosfat adalah 3,2V. Tegangan muatan akhir ketika terisi penuh umumnya 4.2V, dan lithium besi fosfat adalah 3,65V. Tegangan pelepasan akhir baterai lithium-ion adalah 2.75V hingga 3. 0 V (pabrik baterai memberikan rentang tegangan operasi atau tegangan pelepasan akhir, dan parameternya sedikit berbeda, umumnya 3. 0 V, dan bahwa besi fosfat adalah 2.5V). Terus keluar di bawah 2.5V (2. 0 V untuk lithium besi fosfat) disebut over-discharge, yang akan merusak baterai.
Baterai lithium-ion dengan bahan jenis oksida lithium kobalt karena elektroda positif tidak cocok untuk pelepasan arus tinggi. Debit arus yang berlebihan akan mengurangi waktu pelepasan (suhu yang lebih tinggi akan dihasilkan di dalam dan energi akan hilang), dan mungkin berbahaya; Tetapi baterai lithium dengan bahan elektroda positif lithium fosfat positif dapat diisi dan dikeluarkan pada arus tinggi 20C atau bahkan lebih besar (C adalah kapasitas baterai, seperti C =800 MAH, laju pengisian 1C berarti pengisian arus adalah 800mA), yang sangat cocok untuk kendaraan listrik. Oleh karena itu, produsen baterai memberikan arus pelepasan maksimum, yang harus kurang dari arus pelepasan maksimum selama penggunaan.
Baterai lithium-ion memiliki persyaratan suhu tertentu. Pabrik memberikan kisaran suhu pengisian, kisaran suhu debit, dan kisaran suhu penyimpanan. Pengisian tegangan berlebih akan menyebabkan kerusakan permanen pada baterai lithium-ion. Arus pengisian baterai lithium-ion harus didasarkan pada rekomendasi produsen baterai, dan sirkuit pembatas saat ini diperlukan untuk menghindari arus berlebih (overheating).
Tingkat pengisian yang umum digunakan adalah 0. 25c ~ 1c. Saat mengisi daya dengan arus yang besar, suhu baterai sering terdeteksi untuk mencegah kepanasan dari merusak baterai atau menyebabkan ledakan.
Pengisian baterai lithium-ion dibagi menjadi dua tahap: pengisian arus konstan terlebih dahulu, dan kemudian pengisian tegangan konstan ketika dekat dengan tegangan terminasi. Misalnya, baterai dengan kapasitas 800mAh memiliki tegangan pengisian terminasi 4.2V. Baterai dibebankan pada arus konstan 800mA (laju pengisian adalah 1C). Pada awalnya, tegangan baterai meningkat dengan kemiringan yang besar. Ketika tegangan baterai mendekati 4.2V, diubah menjadi pengisian tegangan konstan 4.2V, arus secara bertahap berkurang, dan tegangan tidak banyak berubah. Ketika arus pengisian daya turun menjadi 1\/10-50 C (nilai pengaturan masing -masing pabrik berbeda dan tidak mempengaruhi penggunaan), itu dianggap mendekati penuh dan pengisian dapat diakhiri (beberapa pengisi daya memulai timer setelah 1\/10c dan mengakhiri pengisian setelah periode waktu tertentu).
3.2 baterai lithium-ion terkondensasi
Pada 19 April 2023, CATL merilis baterai kental dengan kepadatan energi hingga 500Wh\/kg, yang akan memiliki kapasitas produksi massal dalam 2023.

Bagian 4: Prinsip Kerja

Baterai lithium-ion menggunakan bahan karbon sebagai elektroda negatif dan senyawa yang mengandung lithium sebagai elektroda positif. Tidak ada lithium logam, hanya ion lithium. Ini adalah baterai lithium-ion. Baterai lithium-ion merujuk pada istilah umum untuk baterai dengan senyawa tertanam ion lithium sebagai bahan elektroda positif. Proses pengisian dan pelepasan baterai lithium-ion adalah proses penyematan ion lithium dan de-embedding. Dalam proses penyematan dan de-embedding ion lithium, embedding dan de-embedding elektron yang setara dengan ion lithium juga disertai (adalah kebiasaan untuk menggunakan embedding atau de-embedding untuk mewakili elektroda positif, dan memasukkan atau de-mengawalkan untuk mewakili elektroda negatif). Dalam proses pengisian dan pelepasan, ion lithium tertanam\/tidak tertanam dan dimasukkan\/de-insert bolak-balik antara elektroda positif dan negatif, yang secara jelas disebut "baterai kursi goyang".
Ketika baterai diisi, ion lithium dihasilkan pada elektroda positif baterai, dan ion lithium yang dihasilkan bergerak ke elektroda negatif melalui elektrolit. Karbon sebagai elektroda negatif memiliki struktur berlapis dan memiliki banyak mikropori. Ion lithium yang mencapai elektroda negatif tertanam dalam mikropori lapisan karbon. Semakin banyak ion lithium tertanam, semakin tinggi kapasitas pengisian. Demikian pula, ketika baterai habis (yaitu, proses menggunakan baterai), ion lithium yang tertanam dalam lapisan karbon elektroda negatif dilepaskan dan kembali ke elektroda positif. Semakin banyak ion lithium yang kembali ke elektroda positif, semakin tinggi kapasitas pelepasan.
Gambar
Secara umum, arus pengisian baterai lithium diatur antara 0. 2c dan 1c. Semakin besar arus, semakin cepat pengisian daya, dan semakin besar panasnya baterai. Selain itu, jika arus terlalu besar, kapasitasnya tidak akan penuh, karena reaksi elektrokimia di dalam baterai membutuhkan waktu. Sama seperti menuangkan bir, jika Anda menuangkannya terlalu cepat, itu akan menghasilkan busa dan tidak penuh.

Bagian 5: Komponen

Serial Baja Shell\/Aluminium Shell\/Cylindrical\/Soft Packaging
Elektroda positif: Bahan aktif umumnya lithium mangan oksida atau lithium kobalt oksida, bahan oksida mangan kobalt nikel, dan sepeda listrik umumnya menggunakan mangan kobalt mangan mangan mangan (umumnya dikenal sebagai ternary) atau terner + sejumlah kecil oksida lithium mangan. Lithium mangan oksida dan lithium besi fosfat secara bertahap secara bertahap memudar karena ukuran besar, kinerja yang buruk atau biaya tinggi. Kolektor arus konduktif menggunakan foil aluminium elektrolit dengan ketebalan mikron 10-20.
Diafragma: Film polimer yang dibentuk secara khusus dengan struktur mikropor yang memungkinkan ion lithium untuk dilewati secara bebas, tetapi elektron tidak dapat dilewati.
Elektroda negatif: Bahan aktif adalah grafit, atau karbon dengan struktur seperti grafit, dan kolektor arus konduktif menggunakan foil tembaga elektrolitik dengan ketebalan mikron {1}}.
Elektrolit: Pelarut karbonat yang melarutkan lithium hexafluorophosphate, sedangkan polimer menggunakan elektrolit gel.
Shell baterai: dibagi menjadi shell baja (jarang digunakan dalam baterai persegi), cangkang aluminium, cangkang besi berlapis nikel (digunakan dalam baterai silindris), film aluminium-plastik (kemasan lunak), dll., Serta tutup baterai, yang juga merupakan terminal positif dan negatif dari baterai.

Bagian 6: Komposisi Baterai

Seperti semua baterai kimia, baterai lithium-ion juga terdiri dari tiga bagian: elektroda positif, elektroda negatif dan elektrolit. Bahan elektroda adalah semua ion lithium yang dapat disematkan (dimasukkan)\/tidak tertanam (de-insert).
6.1 Bahan Elektroda Positif
1) Bahan elektroda positif
Ada banyak bahan elektroda positif opsional, dan produk utama sebagian besar menggunakan lithium besi fosfat. Perbandingan bahan elektroda positif yang berbeda:

2) Reaksi elektroda positif
Ion lithium dimasukkan selama pelepasan dan deintercalated selama pengisian daya.
Saat Mengisi: LifePo4 → Li 1- xfepo 4 + xli ++ xe-
When Discharging: Li 1- xfepo 4+ xli ++ xe- → lifePo4
6.2 Bahan Elektroda Negatif
1) Bahan elektroda negatif
Grafit sebagian besar digunakan. Penelitian baru telah menemukan bahwa titanat mungkin merupakan bahan yang lebih baik. Reaksi elektroda negatif: ion lithium dimasukkan selama muatan dan deintercalated selama pelepasan.
Saat Mengisi: xli ++ xe -+ 6 c → lixc6
Saat mengeluarkan: lixc6 → xli ++ xe -+ 6 c
Umumnya dibagi menjadi kategori berikut:
Bahan elektroda negatif karbon: Bahan elektroda negatif yang sebenarnya digunakan dalam baterai lithium-ion pada dasarnya adalah bahan karbon, seperti grafit buatan, grafit alami, microbead karbon mesofase, kokas minyak bumi, serat karbon, karbon resin pirolitik, dll.
Bahan elektroda negatif berbasis timah: Bahan elektroda negatif berbasis timah dapat dibagi menjadi dua jenis: oksida timah dan oksida komposit berbasis timah. Oksida mengacu pada oksida dari berbagai keadaan valensi timah logam. Tidak ada produk komersial.
Bahan elektroda negatif logam nitrida nitrida nitrida lithium: tidak ada produk komersial.
Bahan elektroda negatif paduan: termasuk paduan berbasis timah, paduan berbasis silikon, paduan berbasis germanium, paduan berbasis aluminium, paduan berbasis antimon, paduan berbasis magnesium dan paduan lainnya, tidak ada produk komersial.
Bahan elektroda negatif skala nano: tabung karbon nano, bahan paduan nano.
Bahan nano adalah bahan nano oksida: Menurut tren pengembangan pasar terbaru dari baterai lithium industri energi baru pada tahun 2009, banyak perusahaan telah mulai menggunakan nano titanium oksida dan silikon nano oksida untuk menambah tabung grafit tradisional, oksida timah, dan tabung karbon nano, sangat meningkatkan muatan dan kapasitas pelepasan dan muatan dan baterai lithium.
6.3 Elektrolit
Solute: Garam lithium sering digunakan, seperti lithium perklorat (LICLO4), lithium hexafluorophosphate (lipf6), dan lithium tetrafluoroborate (libf4).
Pelarut: Karena tegangan kerja baterai jauh lebih tinggi daripada tegangan dekomposisi air, pelarut organik sering digunakan dalam baterai lithium-ion, seperti eter, etilen karbonat, propilen karbonat, dietil karbonat, dll. Petung organik yang sering menghancurkan struktur grafit selama pengisian daya, menyebabkannya diethyl, dan membentuk pelarut organik. Pelarut organik juga membawa masalah keselamatan seperti mudah terbakar dan ledakan.
6.4 Lapisan Konduktif
Foil aluminium yang dilapisi karbon untuk baterai (lapisan konduktif)
Keuntungan dari aluminium foil yang dilapisi karbon dalam aplikasi baterai lithium-ion
Menghambat polarisasi baterai, mengurangi efek termal, dan meningkatkan kinerja laju;
Mengurangi resistensi internal baterai dan secara signifikan mengurangi peningkatan resistensi internal yang dinamis selama proses siklus;
Konsistensi tinggi, meningkatkan umur siklus baterai;
Adhesi tinggi antara zat aktif dan kolektor saat ini, mengurangi biaya manufaktur potongan tiang;
Melindungi kolektor saat ini dari dikorosi oleh elektrolit;
Tingkatkan kinerja pemrosesan bahan lithium besi fosfat dan lithium titanate.
Menggunakan pelapis fungsional untuk mengobati permukaan substrat konduktif baterai adalah inovasi teknologi terobosan. Foil aluminium\/foil tembaga yang dilapisi karbon adalah melapisi grafit nano-konduktif yang terdispersi secara merata dan halus pada foil aluminium\/foil tembaga aluminium. Ini dapat memberikan konduktivitas statis yang sangat baik dan mengumpulkan arus mikro dari bahan aktif, sehingga sangat mengurangi resistensi kontak antara bahan elektroda positif\/negatif dan kolektor, dan dapat meningkatkan adhesi antara keduanya, yang dapat mengurangi jumlah pengikat yang digunakan, sehingga secara signifikan meningkatkan kinerja keseluruhan baterai. Lapisan dibagi menjadi dua jenis: berbasis air (sistem berair) dan berbasis minyak (sistem pelarut organik).

Bagian 7: Keuntungan dan Kekurangan

7.1 Keuntungan
Tegangan tinggi: Tegangan operasi sel tunggal setinggi 3. 7-3. 8V (3.2V untuk lithium besi fosfat), yang 3 kali baterai Ni-CD dan Ni-MH.
Energi spesifik yang besar: Energi spesifik aktual yang dapat dicapai adalah sekitar 555wh\/kg, yaitu material dapat mencapai kapasitas spesifik lebih dari 150mAh\/g (3-4 kali yang dari Ni-CD, 2-3 kali dari Ni-MH), yang hampir sekitar 88% dari nilai teoretisnya.
Kehidupan siklus panjang: Secara umum, dapat mencapai lebih dari 500 kali, atau bahkan lebih dari 1000 kali, dan lithium zat besi fosfat dapat mencapai 8000 kali. Untuk peralatan listrik dengan pelepasan saat ini yang kecil, masa pakai baterai akan menggandakan daya saing alat.
Kinerja Keselamatan yang Baik: Tidak ada polusi, tidak ada efek memori. Sebagai pendahulu Li-ion, baterai lithium telah mengurangi area aplikasi mereka karena lithium logam mudah untuk membentuk dendrit dan sirkuit pendek: li-ion tidak mengandung kadmium, timah, merkuri dan elemen lain yang mencemari lingkungan; Kelemahan utama baterai NI-CD dalam beberapa proses (seperti sintering) adalah "efek memori", yang secara serius membatasi penggunaan baterai, tetapi Li-ion tidak memiliki masalah ini sama sekali.
Rendah self-discharge: Tingkat self-discharge baterai Li-ion yang terisi penuh yang disimpan pada suhu kamar selama satu bulan adalah sekitar 2%, yang jauh lebih rendah dari {25-30% dari Ni-CD dan 30-35% dari Ni-MH.
Pengisian cepat: Kapasitas pengisian 1C selama 30 menit dapat mencapai lebih dari 80% kapasitas nominal, dan baterai besi-fosfor dapat diisi ke 90% dari kapasitas nominal dalam 10 menit.
Suhu operasi: Suhu operasi adalah -25 ~ 45 derajat. Dengan peningkatan elektrolit dan elektroda positif, diharapkan akan diperluas ke -40 ~ 70 derajat.
7.2 Kekurangan
Penuaan: Tidak seperti baterai yang dapat diisi ulang lainnya, kapasitas baterai lithium-ion akan perlahan menurun, yang terkait dengan berapa kali yang digunakan dan suhu. Fenomena penurunan ini dapat diekspresikan dengan penurunan kapasitas atau peningkatan resistensi internal. Karena terkait dengan suhu, lebih mungkin tercermin dalam produk elektronik dengan arus kerja yang tinggi. Mengganti grafit dengan lithium titanate tampaknya memperpanjang umur. Hubungan antara suhu penyimpanan dan laju kehilangan kapasitas permanen: