Litíum rafhlöður eru ný tegund af orku rafhlöðu þróað með góðum árangri á 20. öld. Hægt er að skilja þær sem rafhlöður sem innihalda litíumþætti (þar með talið málm litíum, litíum málmblöndur, litíumjónir og litíumfjölliður). Hægt er að skipta þeim í litíum málm rafhlöður (sjaldan framleidd og notuð) og litíum jón rafhlöður (nú notuð í miklu magni). Vegna kostanna eins og mikillar sértækrar orku, hás rafgeymisspennu, breitt rekstrarhitastigs og langrar geymslu líftíma, hafa þeir verið mikið notaðir í hernaðarlegum og borgaralegum litlum rafmagnstækjum, svo sem farsíma, flytjanlegum tölvum, upptökuvélum, myndavélum osfrv., Skipt um hefðbundnar rafhlöður að hluta.
Uppruni og þróun litíumjónarafhlöður
- Á áttunda áratugnum notaði Ms Whittingham frá Exxon títan súlfíði sem jákvæða rafskautsefnið og málm litíum sem neikvæða rafskautsefnið til að búa til fyrsta litíum rafhlöðu.
- Árið 1980 uppgötvaði J. Goodenough að hægt er að nota litíum kóbaltoxíð sem jákvæða rafskautsefni litíumjónarafhlöður.
- Árið 1982 uppgötvuðu Rragarwal og Jrselman frá Illinois Institute of Technology að litíumjónir hafa þá eiginleika að vera felldir inn í grafít og þetta ferli er hratt og afturkræft. Á sama tíma hafa öryggisáhættir litíum rafhlöður úr málmi litíum vakið mikla athygli, svo fólk hefur reynt að nota eiginleika litíumjóna sem eru felldar inn í grafít til að búa til endurhlaðanlegar rafhlöður. Fyrsta nothæft litíumjónarrafskautið var með góðum árangri framleidd af Bell Laboratories.
- Árið 1983 uppgötvuðu M.Thackeray, J.Goodenough og aðrir að mangan spinel er frábært jákvætt rafskautsefni með lágt verð, stöðugleika og framúrskarandi raf- og litíumleiðni. Það hefur hátt niðurbrotshitastig og oxunarhæfni þess er mun lægri en litíum kóbaltoxíð. Jafnvel þó að skammhlaup eða ofhleðsla eigi sér stað getur það forðast hættu á bruna og sprengingu.
- Árið 1989 uppgötvuðu A.Manthiram og J.Goodenough að jákvæða rafskautið sem notaði fjölliðaðan anjón mun framleiða hærri spennu.
- Árið 1991 sendi Sony frá sér fyrsta auglýsing litíumjónarafhlöðu. Í kjölfarið gjörbylti litíumjónarafhlöður útlit neytendafræðinnar.
- Árið 1996 uppgötvuðu Padhi og Goodenough að fosföt með ólívínvirki, svo sem litíum járnfosfat (LIFEPO4), eru betri en hefðbundin jákvæð rafskautsefni og hafa því orðið núverandi almennar jákvæðar rafskautsefni.
Litíumjónarafhlöður (Li-jón rafhlöður) eru þróaðar úr litíum rafhlöðum. Svo áður en þú kynnir Li-Ion, skulum við fyrst kynna litíum rafhlöður. Til dæmis tilheyra hnappur rafhlöður litíum rafhlöður. Jákvæð rafskautsefni litíum rafhlöður er mangan díoxíð eða thionýlklóríð og neikvæða rafskautið er litíum. Eftir að rafhlaðan er sett saman hefur rafhlaðan spennu og þarf ekki að hlaða. Einnig er hægt að hlaða þessa tegund rafhlöðu, en afköst hringrásarinnar er ekki góð. Meðan á hleðslu- og losunarlotunni stendur myndast litíum dendrites auðveldlega, sem veldur innri skammhlaupum í rafhlöðunni, þannig að við venjulegar kringumstæður er þessi tegund rafhlöðu bönnuð að vera rukkuð.
Síðar fann Sony Corporation í Japan upp litíum rafhlöðu með kolefnisefni sem neikvæða rafskautið og litíum sem innihalda efnasambönd sem jákvæða rafskautið. Meðan á hleðslu- og losunarferlinu er, er ekkert málmblæ, aðeins litíumjónir. Þetta er litíumjónarafhlaða.
Snemma á tíunda áratugnum þróaði Sony Energy Development Company í Japan og Moli Energy Company í Kanada hver um sig nýja tegund af litíumjónarafhlöðu, sem hefur ekki aðeins góða afköst heldur er einnig umhverfisvæn. Með örri þróun upplýsingatækni, handfesta vélar og rafknúin ökutæki hefur eftirspurn eftir hágæða orkuheimildum aukist verulega og litíum rafhlöður hafa orðið ein ört vaxandi reiturinn.
Uppbygging og meginregla litíumjónarafhlöður
(1) Helstu þættir litíumjónarafhlöður:
① Jákvætt rafskaut - Virk efni vísa aðallega til litíum kóbaltoxíðs, litíum manganoxíðs, litíum járnfosfats, litíum nikkeloxíðs, nikkel kóbalt manganoxíðs, osfrv. Leiðandi núverandi safnari notar almennt álþynningu með þykkt af 10-20 micron;
② Þind - sérstök plastfilmu sem gerir litíumjónum kleift að fara í gegnum, en er einangrunarefni fyrir rafeindir. Sem stendur eru aðallega tvær tegundir: PE og PP og samsetningar þeirra. Það er einnig gerð af ólífrænum föstu þind, svo sem þindarhúð af súrál, sem er ólífrænt föstu þind;
③ Neikvætt rafskaut - Virka efnið vísar aðallega til grafít, litíum títanats eða kolefnisefna með uppbyggingu svipað grafít. Leiðandi núverandi safnari notar venjulega koparþynnu með þykkt 7-15 míkron;
④ Raflausn - Almennt lífrænt kerfi, svo sem karbónat leysir uppleyst með litíum hexafluorophosphate, og sumar fjölliða rafhlöður nota hlaup rafgreiningar;
⑤ Rafhlöðuskel - aðallega skipt í harða skel (stálskel, álskel, nikkelhúðað járnskel osfrv.) Og mjúkur pakki (álplastfilmu).
Þegar rafhlaðan er hlaðin eru litíumjónir afskekktir úr jákvæða rafskautinu og fellt inn í neikvæða rafskautið og öfugt við losun. Þetta krefst þess að rafskaut sé í litíum-samtökuðu ástandi fyrir samsetningu. Almennt eru litíum-intercalated umbreytingarmálmoxíð með möguleika sem eru meiri en 3V miðað við litíum og stöðugt í loftinu valin sem jákvæðar rafskaut, svo sem LICOO2, LINIO2 og LIMN2O4.
Sem neikvæða rafskautsefnið eru litíum-innilokanleg efnasambönd með möguleika eins nálægt litíummöguleikanum og mögulegt er, svo sem ýmis kolefnisefni, þar með (x =0. 4 ~ 0. 6, y =0. 6 ~ 0. 4, z=(2+3 x +5 y)\/2) osfrv.
Raflausnin notar blandað leysiefni af alkýlkarbónati eins og etýlenkarbónati (EC), própýlenkarbónati (PC) og díetýlkarbónati með litlum seigju (DEC) af LIPF6.
Þindin samþykkir pólýólefín örveruhimnur eins og PE, PP eða samsettar himnur þeirra, sérstaklega PP\/PE\/PP þriggja laga þind, sem hefur ekki aðeins lágbráðnun, heldur hefur hann einnig mikla stunguþolstyrk, sem gegnir hlutverki hitatrygginga.
Skelin er úr stáli eða áli og hlífarsamsetningin hefur hlutverk sprengingarþétts afl.
(2) Grunnvinnu meginreglan
Við hleðslu rafhlöðunnar losnar litíumjónir úr litíum sem innihalda litíum í jákvæða rafskautinu og litíumjónir fara yfir í neikvæða rafskautið í gegnum salta. Kolefnisefnið í neikvæðu rafskautinu er með lagskiptri uppbyggingu með mörgum örverum. Litíumjónirnar sem ná neikvæðu rafskautinu eru felldar inn í örverur kolefnislagsins. Því meira sem litíumjónir eru felldir, því hærra er hleðslugeta.
Þegar rafhlaðan er losað (þ.e. ferlið við að nota rafhlöðuna) losnar litíumjónir sem eru felldir inn í kolefnislag neikvæða rafskautsins og fara aftur í jákvæða rafskautið. Því fleiri litíumjónir sem snúa aftur í jákvæða rafskautið, því hærra er losunargetan. Það sem við köllum venjulega rafhlöðugetu vísar til losunargetu.
Við hleðslu- og losunarferlið litíumjónarafhlöður eru litíumjónir í hreyfingu frá jákvæðu rafskautinu → Neikvæð rafskaut → jákvæð rafskaut. Þetta er eins og klettastóll, þar sem tveir endar klettastólsins eru tveir staurar rafhlöðunnar, og litíumjónir hreyfa sig fram og til baka við tvo enda klettastólsins. Þess vegna eru litíumjónarafhlöður einnig kallaðar rokkstól rafhlöður.
Hleðsla og losunarbúnaður
- Hleðsluferli litíumjónarafhlöður er skipt í tvö stig: stöðugur núverandi hleðslustig og stöðugur spennustraumur lækkandi hleðslustig.
- Ofhleðsla og losun litíumjónarafhlöður munu valda varanlegu tjóni á jákvæðu og neikvæðu rafskautum. Ofagaleysi veldur því að kolefnisblað uppbygging neikvæða rafskautsins hrynur og hrunið kemur í veg fyrir að litíumjónir séu settir inn við hleðslu; Ofhleðsla veldur því að of margir litíumjónir eru felldir inn í kolefnisbyggingu neikvæðu rafskautsins, sem veldur því að sumir af litíumjónum losna ekki lengur.
- Besta hleðslu- og losunaraðferðin fyrir litíumjónarafhlöður til að viðhalda afköstum er grunnt hleðsla og grunn útskrift. Almennt er 60% DOD 2 til 4 sinnum hringrásarlífið við 100% DOD aðstæður.
Helstu afköst vísbendingar um litíumjónarafhlöður
(1) Rafhlöðugeta
Hægt er að skipta getu rafhlöðunnar í hlutfallsgetu og raunverulega afkastagetu. Metið afkastageta rafhlöðu vísar til rafmagns rafmagns sem rafhlaðan ætti að veita þegar það er sleppt að uppsagnarspennu með hraða 5H undir umhverfishita 20 gráðu ± 5 gráðu og er táknað með C5. Raunveruleg afkastageta rafhlöðu vísar til raunverulegs magns raforku sem er losað af rafhlöðunni við ákveðin losunarskilyrði, sem aðallega hefur áhrif á losunarhraða og hitastig (svo stranglega séð ætti rafhlöðugetan að gefa til kynna hleðslu og losunarskilyrði).
Getu eining: mah, ah (1ah =1000 mah).
(2) Rafhlaða innri viðnám
Innri viðnám rafhlöðu vísar til viðnáms sem straumur streymir um rafhlöðuna þegar rafhlaðan er að virka. Það samanstendur af tveimur hlutum: ohmic innri mótstöðu og pólun innri mótstöðu. Stór innri viðnám rafhlöðu mun leiða til lægri losunarspennu og styttri losunartíma. Stærð innri viðnáms hefur aðallega áhrif á þætti eins og rafhlöðuefnið, framleiðsluferlið og rafhlöðubyggingu. Innri viðnám rafhlöðu er mikilvægur færibreytur til að mæla afköst rafhlöðunnar.
(3) Spenna
Opin hringrás spenna vísar til hugsanlegs munar á jákvæðum og neikvæðum rafskautum rafhlöðunnar þegar rafhlaðan virkar ekki, það er að segja þegar enginn straumur streymir í hringrásina. Almennt er opinn hringspenna litíumjónarafhlöðu um það bil 4. 1-4. Hægt er að ákvarða hleðslurennslisrafhlöðu með því að greina opna hringrás rafhlöðunnar.
Rekstrarspennan, einnig þekkt sem flugstöðin, vísar til hugsanlegs munar á jákvæðum og neikvæðum rafskautum rafhlöðunnar þegar rafhlaðan er í vinnuástandi, það er að segja þegar straumur er straumur í hringrásinni. Þegar rafhlaðan er í vinnuástandi losunar, þegar straumurinn rennur í gegnum rafhlöðuna, þarf hann ekki að vinna bug á viðnáminu af völdum innri viðnám rafhlöðunnar, þannig að vinnuspennan er alltaf lægri en opinn hringspenna, og hið gagnstæða er satt þegar hlaðin er. Losun vinnuspennu litíumjónarafhlöður er um 3,6V.
(4) Tími losunarvettvangs
Tíminn í losun vettvangs vísar til losunartíma þegar rafhlaðan er að fullu hlaðin fyrir ákveðna spennu. Sem dæmi má nefna að losunarpallur ternary rafhlöðu við 3,6V er mældur. Spennan er hlaðin í 4,2V með stöðugri spennu og hleðslustraumurinn er minni en 0. 02c, þá er hleðslan stöðvuð, það er að segja eftir að rafhlaðan er fullhlaðin, og þá er það eftir í 10 mínútur. Losunartíminn þegar hann er útskrifaður í 3,6V við hvaða losunarstraum sem er er losunarpallstími við þann straum.
Vegna þess að vinnuspenna sumra rafmagnstækja sem nota litíumjónarafhlöður hefur spennukröfur, ef það er lægra en nauðsynlegt gildi mun það ekki virka. Þess vegna er losunarpallurinn einn af mikilvægu viðmiðunum til að mæla afköst rafhlöður.
(5) Hleðslu- og útskriftarhlutfall
Hleðslu- og losunarhlutfallið vísar til núverandi gildi sem krafist er til að rafhlaðan geti losað afkastagetu sína innan tiltekins tíma. 1C er tölulega jafnt og metið afkastagetu rafhlöðunnar og er venjulega táknað með stafnum C. Til dæmis, ef nafn metin afkastageta rafhlöðunnar er 1 0 Ah, þá er 10A 1C (1 hlutfall), 5a er 0,5C, 100A er 10C, og svo framvegis.
(6) Sjálfsskilningshraði
Sjálfhleðsluhraðinn, einnig þekktur sem hleðslugeta, vísar til getu rafhlöðunnar til að halda rafmagni sem er geymd í rafhlöðunni við vissar aðstæður þegar rafhlaðan er í opnu hringrás. Það hefur aðallega áhrif á þætti eins og framleiðsluferlið, efni og geymsluaðstæður rafhlöðunnar. Það er mikilvægur færibreytur til að mæla afköst rafhlöðunnar.
(7) Skilvirkni
Hleðslu skilvirkni vísar til þess að mælikvarði á að hve miklu leyti raforkan sem rafhlaðan er notuð við hleðsluferlið er breytt í efnafræðilega orku sem rafhlaðan getur geymt. Það hefur aðallega áhrif á rafhlöðuferlið, formúlu og vinnuumhverfi hitastig rafhlöðunnar. Almennt, því hærra sem umhverfishitastigið er, því lægra er hleðslu skilvirkni.
Meðal skilvirkni vísar til hlutfalls raunverulegs rafmagns rafmagns sem er losað við flugstöðina við ákveðnar losunarskilyrði og metið afkastagetu rafhlöðunnar. Það hefur aðallega áhrif á þætti eins og losunarhraða, umhverfishita og innri viðnám. Almennt séð, því hærra sem losunarhraðinn er, því lægri er losunarvirkni. Því lægra sem hitastigið er, því lægra er losunarvirkni.
(8) Líf hringrásar
Líf rafhlöðu hringrás vísar til fjölda hleðslu- og útskriftartíma sem rafhlaðan gengur undir ákveðna hleðslu- og útskriftarstjórn þegar rafhlöðugeta lækkar að ákveðnu tilgreindu gildi. GB fyrir litíumjónarafhlöður kveður á um að varðveisluhraði rafhlöðu eftir 500 lotur við 1C sé yfir 60%.
Helstu flokkanir á litíumjónarafhlöðum
① Samkvæmt mismunandi raflausnum sem notuð eru í litíum rafhlöðum er hægt að skipta litíum rafhlöðum í tvo flokka: fljótandi litíum rafhlöður (litíum jón rafhlöður, vísað til sem lib) og fjölliða litíum rafhlöður (fjölliða litíumjónarafhlöður, vísað til sem LIP).
② Samkvæmt hleðsluaðferðinni er hægt að skipta þeim í tvo flokka: óreistan og endurhlaðanlegan.
③ Litíum rafhlöðuútlit: ferningur litíum rafhlaða (svo sem oft notaðir farsíma rafhlöður) og sívalur (svo sem 18650, 18500);
④ Litíum rafhlöðuumbúðir: Ál skel litíum rafhlaða, stálskel litíum rafhlaða, mjúkur pakki rafhlaða;
⑤ Litíum rafhlaða frá jákvæðu og neikvæðu rafskautsefnunum (aukefni): litíum kóbaltoxíð (licoo2) rafhlaða, litíum manganoxíð (Limn2o4), litíum járnfosfat rafhlaða, einnota mangan díoxíð litíum rafhlaða
