Что такое аккумуляторная ячейка?
Клеточная структура
Отдельная батарея, также известная как «ячейка», представляет собой наименьшую единицу аккумуляторной системы. Он в основном состоит из катода (Cathode Electrode), анода (Anode Electrode), электролита (Electrolyte), сепаратора (Separator) и корпуса (Case), как показано на рисунке 7-1.
Электродный лист литий-ионного-элемента можно отнести к категории композитного материала, состоящего в основном из четырех частей:
1) Частицы активного материала, которые интеркалируют или деинтеркалируют ионы лития; катодные частицы обеспечивают источник лития, а анодные частицы принимают ионы лития.
2) Проводящая фаза (фаза углеродного геля), образованная смесью проводящего агента и токосъемника, при этом связующее выполняет функцию соединения; покрытие проводит электроны через токосъемник и проводящий агент.
3) Поры, заполненные электролитом, которые служат каналами для транспорта ионов лития- внутри электродного листа.
4)Токосборник.
В ходе электрохимического процесса покрытие электродов в основном включает в себя следующие 4 процесса:
1) Электронный транспорт.
2)Ионный транспорт.
3) Перезарядка на границе раздела частиц электролит/электрод, т. е. электрохимическая реакция.
4) Диффузия ионов лития внутри твердой фазы. В микроструктуре электродного листа размер и распределение частиц влияют на путь диффузии ионов лития и удельную поверхность электрохимической реакции; размер и распределение пор влияют на процесс транспортировки электролита; пористость влияет на количество активного материала и удельную поверхность электрохимической реакции. Все эти микроструктурные характеристики в конечном итоге влияют на производительность батареи.
Катодная структура
Катод элемента в основном состоит из катодных материалов, таких как LiCoO₂, проводящего агента, связующего вещества (ПВДФ) и токосъемника (алюминиевая фольга), как показано на рисунке 7-2.
В литий-ионных- батареях катодный токосъемник обычно представляет собой алюминиевую фольгу, а анодный токосъёмник —медная фольга. Чтобы обеспечить стабильность токосъемника внутри батареи, чистота обоих должна быть выше 98%. Причины, по которым в литий-ионных- батареях используется алюминиевая фольга в качестве катода и медная фольга в качестве анода, заключаются в следующих трех моментах:
1) Медь и алюминий имеют хорошую электропроводность, мягкую текстуру и низкую цену. Принцип работы литий-ионного- аккумулятора заключается в электрохимическом устройстве, преобразующем химическую энергию в электрическую. В этом процессе требуется среда для передачи химической энергии в электрическую, для чего требуется проводящий материал. Среди распространенных материалов металлы обладают лучшей электропроводностью, а среди металлов медь и алюминий предлагают как отличную проводимость, так и относительно низкую цену в виде медной фольги и алюминиевой фольги. В литий-ионных батареях в основном используются два метода обработки: намотка и штабелирование. По сравнению со штабелированием, намотка требует, чтобы листы электродов, используемые для подготовки батареи, имели определенную гибкость, чтобы гарантировать, что листы электродов не станут хрупкими или не сломаются во время намотки. Среди металлических материалов медная и алюминиевая фольга являются мягкими, относительно твердая медно-алюминиевая фольга дорогая, медная и алюминиевая фольга относительно дешевы, а ресурсы меди и алюминия богаты во всем мире.
2) Медная и алюминиевая фольга также относительно стабильны на воздухе. Алюминий легко вступает в химическую реакцию с кислородом воздуха, образуя на поверхности плотную оксидную пленку, предотвращающую дальнейшую реакцию алюминия. Эта оксидная пленка меди/алюминия также оказывает определенное защитное действие на алюминий в электролите. Медь сама по себе относительно стабильна на воздухе и практически не вступает в химические реакции в сухом воздухе.
3) Катодный и анодный потенциалы литий-ионных батарей определяют, что алюминиевая фольга используется в качестве катода, а медная фольга в качестве анода, и их нельзя поменять местами. Катодный потенциал высок, медная фольга легко окисляется при высоком потенциале, а алюминий имеет высокий потенциал окисления и плотную оксидную пленку на своем поверхностном слое, что также обеспечивает хорошую защиту внутреннего алюминия.
В кристаллической решетке металлического алюминия медь и алюминий имеют размеры, аналогичные Li, и могут легко образовывать интерметаллические соединения с Li, такие как LiAl. Li и Al могут не только образовывать сплав с химической формулой LiAl, но также могут образовывать слои сплавов Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al и Li₂Al. Эти слои сплава потребляют большое количество Li и повреждают структуру и морфологию самого Al, поэтому его нельзя использовать в качестве анодного токосъемника литий-ионных батарей; в то время как Cu растворяется в очень незначительной степени во время заряда-разряда аккумулятора и сохраняет структурную и электрохимическую стабильность, что делает его пригодным в качестве анодного токосъемника для литий-ионных аккумуляторов. Для медной фольги при напряжении 3,5 В ток поляризации начинает значительно увеличиваться и возрастает линейно, с усилением окисления, что указывает на то, что Cu также начинает растворяться в аккумуляторе; в то время как для алюминиевой фольги во всем диапазоне потенциалов поляризации ток поляризации мал и стабилен, при этом не наблюдается явных явлений коррозии, что обеспечивает электрохимическую стабильность. Поскольку количество растворяемого Al в диапазоне катодных потенциалов литий-ионных батарей чрезвычайно мало и можно поддерживать электрохимическую стабильность, он подходит в качестве катодного токосъемника для литий-ионных батарей.
Оксидный слой на медно-алюминиевых поверхностях относится к полупроводникам и проводит электроны; если оксидный слой слишком толстый, импеданс большой; хотя слой оксида алюминия на поверхности алюминия является изолятором и не может проводить электричество, но поскольку он очень тонкий, электронная проводимость достигается за счет туннельного эффекта; если оксидный слой толстый, проводимость медно-алюминиевой фольги плохая или даже изоляционная. Как правило, медную/алюминиевую фольгу перед использованием необходимо очистить от оксидного слоя, чтобы удалить масло, с одной стороны, и толстые оксидные слои, с другой. Потенциал катода высокий, а слой оксида алюминия очень плотный, что может предотвратить окисление токосъемника. Оксидные слои меди/никеля и т. д. относительно рыхлые, что легко препятствует токосъемнику и обеспечивает лучшую производительность батареи. В то же время анодный потенциал литий-ионных аккумуляторов низок, и медь/никель подвергаются реакциям окисления, причем реакции окисления/меди/делитирования происходят на поверхности меди/никеля, в то время как алюминий подвергается легированию LiAl при высоком потенциале.
Токосъемник требует чистого состава. Примеси в Al сделают поверхностную пленку менее плотной и вызовут питтинговую коррозию, и, что еще хуже, разрушение поверхностной пленки приводит к образованию сплава LiAl.
Токосъемник требует чистого состава. Примеси в Al сделают поверхностную пленку менее плотной, что приведет к питтинговой коррозии и, что еще хуже, разрушение поверхностной пленки приведет к образованию сплава LiAl.
Для литий-ионных аккумуляторов толщина катодной алюминиевой фольги была уменьшена с 16 мкм до 14 мкм, затем до 12 мкм, и теперь алюминиевая фольга толщиной 10 мкм уже находится в массовом производстве, а некоторые даже используют 8 мкм; Что касается анодной медной фольги, то из-за ее изначально большей гибкости ее толщина была уменьшена с прежних 12 мкм до 10 мкм, а затем до 8 мкм, и в настоящее время большая часть батарей массово -производится с использованием толщины 6 мкм, в то время как некоторые производители разрабатывают 5 мкм/4 мкм, которые также потенциально могут быть использованы. Поскольку литий-ионные батареи предъявляют требования к высокой чистоте используемой медной фольги, плотность материала практически находится на том же уровне. По мере уменьшения разрабатываемой толщины плотность площади соответственно уменьшается, и вес батареи, естественно, становится все легче и легче, что удовлетворяет спрос на литий-ионные батареи.
Что касается токосъемников, помимо их толщины и веса, влияющих на литий-ионные батареи, свойства поверхности токосъёмника также оказывают существенное влияние на производство и производительность аккумуляторов. Специально для анодного токосъемника из-за дефектов в технологии изготовления медная фольга, представленная на рынке, в основном представлена односторонними-шероховатыми, двусторонними-шероховатыми и двусторонними-шероховатыми вариантами. Эта асимметричная двусторонняя структура приведет к асимметричному контактному сопротивлению анодного покрытия с обеих сторон, тем самым предотвращая равномерное высвобождение анодной емкости с обеих сторон; в то же время асимметрия с обеих сторон также приведет к нестабильной прочности адгезии анодного покрытия, что приведет к сильному несбалансированному сроку службы заряда-цикла разрядки анодного покрытия с обеих сторон, что, в свою очередь, ускоряет снижение емкости аккумулятора.
Катодная формула одиночной ячейки является ключевой базовой технологией ячейки. Ниже приведен пример:
1)LiCoO₂ (10 мкм): 96,0%.
2) Проводящий агент (Carbon ECP): 2,0%.
3) Связующее (ПВДФ 761): 2,0%.
4) Промотор адгезии (NMP): Массовое соотношение твердых веществ составляет примерно 810:1496.
Меры предосторожности при составлении катода:
1) Контроль вязкости катодной суспензии при 6000 сП (1 сП=1 мПа·с) (температура 25 градусов).
2) Вес NMP должен быть соответствующим образом отрегулирован в соответствии с требованиями к вязкости.
3)Особое внимание обратите на влияние температуры и влажности на вязкость.
Материал катода: оксид лития-кобальта: Активный материал катода, источник литий-ионов, обеспечивает источник лития для батареи. Не-полярное вещество, неправильной формы, размер частиц D50 обычно 6–8 мкм, содержание влаги менее или равно 0,2 %, обычно щелочное, pH 10–11.
Материал катода: оксид лития-марганца: не-полярное вещество, неправильной формы, размер частиц D50, обычно 5–7 мкм, содержание влаги менее или равно 0,2 %, обычно слабощелочное, pH около 8.
Проводящий агент: Цепное-подобное вещество, содержание влаги.<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.
Связующее вещество (ПВДФ): не-полярное вещество, цепочечное-подобное, молекулярная масса от 300 000 до 3 000 000; Молекулярная масса уменьшается после поглощения воды, что приводит к ухудшению адгезии. Он используется для соединения оксида лития-кобальта, проводящего агента и алюминиевой фольги или алюминиевой сетки вместе. Промотор адгезии (NMP): слабополярная жидкость, используемая для растворения/набухания ПВДФ и одновременного разбавления суспензии.
Токосъемник (катодный контакт): Изготовлен из алюминиевой фольги или алюминиевой полосы.
Структура анода
Структура анода ячейки состоит из графитового материала, проводящего агента, загустителя (CMC), связующего вещества (SBR) и токосъемника (медной фольги), как показано на рисунке 7-3.
Анодная формула одиночного элемента также является одной из ключевых основных технологий элемента, как правило, следующим образом:
1)Материал анода (графит): 94,5%.
2) Проводящий агент (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Связующее (латекс бутадиен-стирольного каучука, SBR): 2,25%.
4) Загуститель (карбоксиметилцеллюлоза, КМЦ): 2,25%.
5)Вода: Массовое соотношение твердых веществ составляет 1600:1417,5.
Меры предосторожности при составлении анода:
1) Контроль вязкости анодной суспензии при 5000-6000 сП (температура 25 градусов).
2) Вес воды необходимо соответствующим образом отрегулировать, чтобы он соответствовал требованиям вязкости.
3)Особое внимание обратите на влияние температуры и влажности на вязкость.
Графит: Анодный активный материал, основное вещество, составляющее анодную реакцию, в основном делится на две основные категории: природный графит и искусственный графит. Не-полярное вещество, легко загрязняемое не-полярными веществами, легко диспергируемое в не-полярных веществах; нелегко впитывать воду и легко диспергировать в воде. Загрязненный графит после диспергирования в воде имеет тенденцию к повторной агломерации. Общий размер частиц D50 составляет около 20 мкм. Форма частиц разнообразна и преимущественно неправильная, преимущественно сферическая, чешуйчатая, волокнистая и т. д.
Функции проводящего агента:
1) Улучшите проводимость анодного листа и компенсируйте электронную проводимость активного материала анода.
2)Увеличьте глубину реакции и коэффициент использования.
3) Предотвратить образование дендритов.
4) Используйте способность проводящих материалов поглощать жидкость-, чтобы увеличить границу раздела реакции и уменьшить поляризацию (можно добавлять или нет в зависимости от распределения частиц графита по размерам).
Присадки: уменьшают необратимые реакции, повышают прочность сцепления и вязкость суспензии, а также предотвращают седиментацию суспензии.
Загуститель/против-агент (КМЦ): Высокомолекулярное соединение, легко растворимое в воде и полярных растворителях.
Изопропанол: Слабополярное вещество; после добавления он может уменьшить полярность раствора связующего, улучшить совместимость графита и раствора связующего; обладает сильным пеногасящим действием; легко катализирует сшивание-сетки связующего и повышает прочность сцепления.
Этанол: Слабополярное вещество; после добавления он может уменьшить полярность раствора связующего, улучшить совместимость графита и раствора связующего; обладает сильным пеногасящим действием; легко катализирует линейное сшивание-сшивки связующего и повышает прочность связи (функции изопропанола и этанола по существу одинаковы; при массовом-производстве можно учитывать факторы стоимости, чтобы выбрать, какой из них добавить).
Связующее на водной-основе (SBR): связывает графит, проводящий агент, добавки и медную фольгу или медную сетку вместе; Молекула эмульсии с линейной цепью, чрезвычайно растворимая в воде и полярных растворителях.
Деионизированная вода (или дистиллированная вода). Разбавитель, добавленный в соответствующем количестве, может изменить текучесть суспензии.
Анодный выступ: Изготовлен из медной фольги или медной ленты.
