De ûntwikkeling fan lithium batterijen

De oarsprong fan it batterijapparaat kin begjinne mei de ûntdekking fan de Leienske flesse. De Leienske flesse waard foar it earst útfûn troch de Nederlânske wittenskipper Pieter van Musschenbroek yn 1745. De Leienske jar is in primityf kondensatorapparaat. It is gearstald út twa metalen platen skieden troch in isolator. De metalen roede hjirboppe wurdt brûkt om lading op te slaan en los te litten. As jo ​​de roede oanreitsje As de metalen bal brûkt wurdt, kin de Leiden flesse de ynterne elektryske enerzjy hâlde of fuortsmite, en har prinsipe en tarieding binne ienfâldich. Elkenien dy't ynteressearre is kin it sels thús meitsje, mar it ferskynsel fan selsûntlading is slimmer troch syn ienfâldige gids. Yn 't algemien sil alle elektrisiteit yn in pear oeren oant in pear dagen wurde ûntslein. De opkomst fan de Leienske flesse markeart lykwols in nije etappe yn it ûndersyk nei elektrisiteit.

Yn 'e 1790's ûntduts de Italjaanske wittenskipper Luigi Galvani it gebrûk fan sink- en koperdraden om kikkersskonken te ferbinen en fûn dat kikkersskonken twitchje, sadat hy it konsept fan "bioelektrisiteit" foarstelde. Dizze ûntdekking feroarsake de Italjaanske wittenskipper Alessandro te twitchjen. Volta's beswier, Volta is fan betinken dat it triljen fan 'e skonken fan' e kikkert komt fan 'e elektryske stroom generearre troch it metaal ynstee fan' e elektryske stroom op 'e kikkert. Om de teory fan Galvani te wjerlizzen, stelde Volta syn ferneamde Volta Stack foar. De voltaïske steapel bestiet út sink- en koperblêden mei karton dy't yn sâlt wetter dertusken trochwekt is. Dit is it prototype fan in foarstelde gemyske batterij.
De elektrodesreaksjefergeliking fan in voltaïske sel:

positive elektrodes: 2H^++2e^-→H_2

negative elektrode: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Yn 1836 betocht de Britske wittenskipper John Frederic Daniell de Daniel-batterij om it probleem fan luchtbellen yn 'e batterij op te lossen. De Daniel-batterij hat de primêre foarm fan in moderne gemyske batterij. It bestiet út twa dielen. It positive diel wurdt ûnderdompele yn in koper sulfate oplossing. It oare diel fan koper is sink ûnderdompele yn in sink sulfate oplossing. De orizjinele Daniel batterij waard fol mei koper sulfate oplossing yn in koperen pot en ynfoege in keramyske poreuze silindryske kontener yn it sintrum. Yn dizze keramyske kontener is d'r in sinkroede en sinksulfaat as de negative elektrode. Yn 'e oplossing jouwe de lytse gatten yn' e keramyske kontener de twa kaaien om ioanen te wikseljen. Moderne Daniel-batterijen brûke meast sâltbrêgen as semi-permeabele membranen om dit effekt te berikken. Daniel-batterijen waarden brûkt as krêftboarne foar it telegraafnetwurk oant droege batterijen se ferfongen.

De elektrodesreaksjefergeliking fan 'e Daniel-batterij:

Positive elektrodes: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

negative elektrode: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Oant no is de primêre foarm fan 'e batterij bepaald, dy't de positive elektrode, de negative elektrode en de elektrolyt omfettet. Op sa'n basis hawwe batterijen de kommende 100 jier in rappe ûntwikkeling ûndergien. In protte nije batterijsystemen binne ferskynd, wêrûnder de Frânske wittenskipper Gaston Planté útfûn lead-acid-batterijen yn 1856. Lead-acid-batterijen. vehicles. It wurdt faak brûkt as reservekopy foar guon sikehûzen en basisstasjons. Lead-sûre batterijen binne benammen gearstald út lead, lead dioxide, en sulfuric acid oplossing, en harren spanning kin berikke likernôch 2V. Sels yn moderne tiden binne lead-sûre batterijen net elimineare fanwegen har folwoeksen technology, lege prizen en feiliger wetter-basearre systemen.

De elektrodesreaksjefergeliking fan lead-acid batterij:

Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O

Negative elektrode: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-

De nikkel-kadmium batterij, útfûn troch de Sweedske wittenskipper Waldemar Jungner yn 1899, wurdt mear brûkt yn lytse mobile elektroanyske apparaten, lykas iere walkmans, fanwege syn hegere enerzjy tichtens as lead-soere batterijen. Fergelykber mei lead-soere batterijen. Nikkel-cadmium batterijen binne ek in soad brûkt sûnt de jierren 1990, mar harren toxicity is relatyf heech, en de batterij sels hat in spesifyk ûnthâld effekt. Dit is de reden wêrom't wy faak hearre guon âldere folwoeksenen sizzen dat de batterij moat wurde folslein ûntslein foardat it opladen en dat ôffal batterijen sille fersmoargje it lân, ensafuorthinne. (Tink derom dat sels aktuele batterijen heul giftig binne en net oeral moatte wurde fuorthelle, mar aktuele lithiumbatterijen hawwe gjin ûnthâldfoardielen, en tefolle ûntlading is skealik foar batterijlibben.) Nikkel-kadmiumbatterijen binne skealiker foar it miljeu, en har ynterne wjerstân sil feroarje mei temperatuer, dat kin feroarsaakje skea troch tefolle stroom ûnder opladen. Nikkel-hydrogen-batterijen eliminearre it stadichoan om 2005. Oant no binne nikkel-kadmium-batterijen komselden te sjen yn 'e merk.

Elektrode reaksje fergeliking fan nikkel-cadmium batterij:

Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2

Negative elektrode: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗2+2e^-

Lithium metalen batterij poadium

Yn 'e 1960's kamen minsken einlings offisjeel it tiidrek fan lithiumbatterijen yn.

Lithiummetaal sels waard ûntdutsen yn 1817, en minsken realisearren al gau dat de fysike en gemyske eigenskippen fan lithiummetaal ynherint brûkt wurde as materialen foar batterijen. It hat lege tichtheid (0.534g 〖cm〗^(-3)), grutte kapasiteit (teoretysk oant 3860mAh g^(-1)), en syn lege potinsjeel (-3.04V fergelike mei standert wetterstofelektrode). Dit binne minsken hast te fertellen dat ik it negative elektrodesmateriaal fan 'e ideale batterij bin. Lithiummetaal sels hat lykwols enoarme problemen. It is te aktyf, reagearret fûleindich mei wetter, en hat hege easken oan de wurkomjouwing. Dêrom wiene de minsken der lang machteleas mei.

Yn 1913 mjitten Lewis en Keyes it potinsjeel fan 'e lithiummetaalelektrode. En útfierd in batterij test mei lithium iodide yn propylamine oplossing as de electrolyte, hoewol't it mislearre.

Yn 1958 neamde William Sidney Harris yn syn doktoraal proefskrift dat hy lithiummetaal yn ferskate organyske esteroplossingen sette en de foarming fan in searje passiveringslagen observearre (wêrûnder lithiummetaal yn perchlorsûr). Lithium LiClO_4

It ferskynsel yn 'e PC oplossing fan propylene karbonaat, en dizze oplossing is in fitale electrolyte systeem yn lithium batterijen yn' e takomst), en in spesifyk ion oerdracht fenomeen is waarnommen, sadat guon foarriedige electrodeposition eksperiminten binne dien basearre op dit. Dizze eksperiminten liede offisjeel ta de ûntwikkeling fan lithiumbatterijen.

Yn 1965 hat NASA in yngeande stúdzje útfierd oer de ferskynsels fan opladen en ûntladen fan Li||Cu-batterijen yn lithiumperchloraat PC-oplossingen. Oare electrolyte systemen, ynklusyf de analyze fan LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Dit ûndersyk hat wekker grutte belangstelling foar organyske electrolyte systemen.

Yn 1969 liet in oktroai sjen dat ien begon te besykjen om organyske oplossingsbatterijen te kommersjalisearjen mei lithium-, natrium- en kaliummetalen.

Yn 1970 betocht de Japanske Panasonic Corporation de Li‖CF_x ┤-batterij, wêrby't de ferhâlding fan x oer it algemien 0.5-1 is. CF_x is in fluorocarbon. Hoewol fluorgas tige toskysk is, is de fluorocarbon sels in off-wyt net-fergiftich poeder. It ûntstean fan Li‖CF_x ┤ batterij kin sein wurde de earste echte kommersjele lithium batterij. Li‖CF_x ┤ batterij is in primêre batterij. Noch altyd is syn kapasiteit enoarm, de teoretyske kapasiteit is 865mAh 〖Kg〗^(-1), en syn ûntlaadspanning is heul stabyl yn 'e lange berik. Dêrtroch is de krêft stabyl en it ferskynsel fan selsûntlading lyts. Mar it hat ôfgryslike taryfprestaasjes en kin net yn rekken brocht wurde. Dêrom wurdt it oer it algemien kombinearre mei mangaandioxide om Li‖CF_x ┤-MnO_2-batterijen te meitsjen, dy't wurde brûkt as ynterne batterijen foar guon lytse sensoren, klokken, ensfh., En binne net elimineare.

Positive elektrodes: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF

Negative elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Yn 1975 betocht de Japanske Sanyo Corporation de Li‖MnO_2 ┤-batterij, foar it earst brûkt yn oplaadbere sinne-rekkenmasines. Dit kin wurde beskôge as de earste oplaadbare lithiumbatterij. Hoewol't dit produkt wie in grut súkses yn Japan op dat stuit, minsken hiene gjin djip begryp fan sa'n materiaal en wist net syn lithium en mangaan dioxide. Wat foar reden sit der efter de reaksje?

Hast tagelyk sochten de Amerikanen nei in werbrûkbere batterij, dy't wy no in sekundêre batterij neame.

Yn 1972, MBArmand (de nammen fan guon wittenskippers waarden net oerset oan it begjin) foarsteld yn in konferinsje papier M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (wêr't M is in alkalimetaal) en oare materialen mei in Prusyske blauwe struktuer. , En studearre syn ion intercalation fenomeen. En yn 1973 studearren J. Broadhead en oaren fan Bell Labs it ynterkalaasjeferskynsel fan swevel- en iodatomen yn metalen dichalcogenides. Dizze foarriedige stúdzjes oer it ion-ynterkalaasjeferskynsel binne de wichtichste driuwende krêft foar de stadichoan foarútgong fan lithiumbatterijen. It orizjinele ûndersyk is krekt fanwegen dizze stúdzjes dat letter lithium-ion-batterijen mooglik wurde.

Yn 1975, Martin B. Dines fan Exxon (de foargonger fan Exxon Mobil) útfierd foarriedige berekkeningen en eksperiminten op de ynterkalaasje tusken in rige fan oergong metaal dichalcogenides en alkalimetalen en yn itselde jier, Exxon wie in oare namme Wittenskipper MS Whittingham publisearre in oktroai op Li‖TiS_2 ┤ pool. En yn 1977 kommersjalisearre Exoon in batterij basearre op Li-Al‖TiS_2┤, wêryn lithium-aluminiumlegering de feiligens fan 'e batterij kin ferbetterje (hoewol d'r noch in wichtiger risiko is). Dêrnei binne sokke batterijsystemen opienfolgjend brûkt troch Eveready yn 'e Feriene Steaten. Kommersjalisaasje fan Battery Company en Grace Company. De Li‖TiS_2 ┤-batterij kin de earste sekundêre lithium-batterij yn 'e wiere sin wêze, en it wie ek it heulste batterijsysteem op dat stuit. Yn dy tiid wie syn enerzjytichtens sawat 2-3 kear dy fan lead-sûre batterijen.

Positive elektrodes: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2

Negative elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Tagelyk útfûn Kanadeeske wittenskipper MA Py de Li‖MoS_2┤-batterij yn 1983, dy't in enerzjytichtens fan 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) by 1/3C hawwe kin, wat lykweardich is oan Li‖TiS_2┤ batterij. Op grûn dêrfan lansearre it Kanadeeske bedriuw Moli Energy yn 1987 in wirklik wiidweidich kommersjalisearre lithiumbatterij, dy't wrâldwiid rûnom socht waard. Dit hie in histoarysk wichtich barren wêze moatten, mar de irony is dat it dêrnei ek de delgong fan Moli feroarsaket. Doe yn 'e maitiid fan 1989 lansearre Moli Company har twadde-generaasje Li‖MoS_2┤ batterijprodukten. Oan 'e ein fan 'e maitiid fan 1989 eksplodearre Moli's earste-generaasje Li‖MoS_2┤ batterijprodukt en feroarsake in grutskalige panyk. Yn 'e simmer fan itselde jier waarden alle produkten weromroppen, en waarden de slachtoffers kompensearre. Oan 'e ein fan itselde jier ferklearre Moli Energy it fallisemint en waard oernaam troch de Japanske NEC yn' e maitiid fan 1990. It is it neamen wurdich dat it geroften wurdt dat Jeff Dahn, in Kanadeeske wittenskipper op dat stuit, it batterijprojekt by Moli liede. Enerzjy en ûntslach fanwegen syn ferset tsjin de oanhâldende list fan Li‖MoS_2 ┤ batterijen.

Positive elektrodes: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2

Negative elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Oant no hawwe lithiummetaalbatterijen stadichoan it publyk ferlitten. Wy kinne sjen dat yn de perioade fan 1970 oant 1980 it ûndersyk fan wittenskippers nei lithiumbatterijen benammen rjochte wie op kathodematerialen. It definitive doel is altyd rjochte op transysjemetaal dichalcogenides. Fanwege harren layered struktuer (oergong metalen dichalcogenides wurde no wiidweidich bestudearre as in twadiminsjonale materiaal), harren lagen en Der binne genôch gatten tusken de lagen foar it ynstekken fan lithium-ionen. Yn dy perioade wie der yn dizze perioade te min ûndersyk nei anodematerialen. Hoewol guon stúdzjes har rjochte hawwe op it legerjen fan lithiummetaal om har stabiliteit te ferbetterjen, is lithiummetaal sels te ynstabyl en gefaarlik. Hoewol't Moli's batterij-eksploazje in evenemint wie dat de wrâld skodde, hawwe d'r in protte gefallen west fan 'e eksploazje fan lithiummetaalbatterijen.

Boppedat wisten minsken de oarsaak fan de eksploazje fan lithiumbatterijen net sa goed. Dêrnjonken waard lithiummetaal eartiids beskôge as in ûnferfangber negatyf elektrodesmateriaal fanwegen syn goede eigenskippen. Nei Moli's batterij-eksploazje foel de akseptaasje fan lithiummetaalbatterijen troch minsken, en lithiumbatterijen kamen in tsjustere perioade yn.

Om in feiliger batterij te hawwen, moatte minsken begjinne mei it skealike elektrodemateriaal. Noch altyd binne d'r in searje problemen hjir: it potinsjeel fan lithiummetaal is ûndjip, en it brûken fan oare gearstalde negative elektroden sil it negative elektrodepotinsjeel ferheegje, en op dizze manier lithiumbatterijen. de enerzjytichtens fan 'e stoarm. Dêrom moatte wittenskippers it oerienkommende heechspanningskathodemateriaal fine. Tagelyk moat de elektrolyt fan 'e batterij oerienkomme mei de positive en negative spanningen en syklusstabiliteit. Tagelyk, de conductivity fan de electrolyte En waarmte ferset is better. Dizze rige fragen fernuvere wittenskippers in lange tiid om in mear befredigjend antwurd te finen.

It earste probleem foar wittenskippers om op te lossen is om in feilich, skealik elektrodesmateriaal te finen dat lithiummetaal ferfange kin. Lithium metaal sels hat tefolle gemyske aktiviteit, en in rige fan dendrite groei problemen west hawwe te hurd op it gebrûk omjouwing en betingsten, en it is net feilich. Grafyt is no it wichtichste lichem fan 'e negative elektrodes fan lithium-ion batterijen, en syn tapassing yn lithium batterijen is studearre sa betiid as 1976. Yn 1976, Besenhard, JO hat útfierd in mear detaillearre stúdzje oer de elektrochemyske synteze fan LiC_R. Hoewol grafyt lykwols poerbêste eigenskippen hat (hege konduktiviteit, hege kapasiteit, leech potinsjeel, inertness, ensfh.), Op dat stuit is de elektrolyt brûkt yn lithiumbatterijen oer it algemien de PC-oplossing fan LiClO_4 hjirboppe neamd. Grafyt hat in wichtich probleem. By it ûntbrekken fan beskerming sille de elektrolyt-PC-molekulen ek de grafytstruktuer ynfiere mei de lithium-ion-ynterkalaasje, wat resulteart yn in fermindering fan syklusprestaasjes. Dêrom waard grafyt yn dy tiid net favorisearre troch wittenskippers.

Wat it katodemateriaal oanbelanget, nei it ûndersyk fan 'e lithiummetaalbatterijstadium, fûnen de wittenskippers dat it lithiumanodemateriaal sels ek in lithiumopslachmateriaal is mei goede omkearberens, lykas LiTiS_2, 〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x) =1,2) en sa fierder, en op dizze basis binne 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x <3), LiV_2 O_8 en oare materialen ûntwikkele. En wittenskippers binne stadichoan fertroud wurden mei ferskate 1-diminsjonale ionkanalen (1D), 2-diminsjonale lagen ion-ynterkalaasje (2D), en 3-diminsjonale struktueren fan iontransmissionnetwurk.

Professor John B. Goodenough syn meast ferneamde ûndersyk nei LiCoO_2 (LCO) barde ek op dit stuit. In 1979, Goodenougd et al. waarden ynspirearre troch in artikel oer de struktuer fan NaCoO_2 yn 1973 en ûntdutsen LCO en publisearre in oktroaiartikel. LCO hat in layered intercalation struktuer fergelykber mei oergong metaal disulfides, dêr't lithium ioanen kinne wurde omkearber ynfoege en ekstrahearre. As de lithium-ionen folslein ekstrakt wurde, sil in ticht-ynpakte struktuer fan CoO_2 wurde foarme, en it kin opnij ynfoege wurde mei lithium-ionen foar lithium (Fansels sil in eigentlike batterij net tastean dat de lithium-ionen folslein wurde ekstrahearre, wat sil de kapasiteit fluch ferfalle). Yn 1986 kombinearre Akira Yoshino, dy't noch wurke by Asahi Kasei Corporation yn Japan, de trije fan LCO, coke, en LiClO_4 PC-oplossing foar de earste kear, en waard de earste moderne lithium-ion sekundêre batterij en waard aktueel lithium De hoekstien fan de batterij. Sony merkte fluch it "goed genôch" âlde man's LCO oktroai op en krige autorisaasje om it te brûken. Yn 1991 kommersjalisearre it de LCO lithium-ion-batterij. It konsept fan lithium-ion batterij ek ferskynde op dit stuit, en syn idee Ek giet troch oant hjoed de dei. (It is de muoite wurdich op te merken dat Sony's earste-generaasje lithium-ion-batterijen en Akira Yoshino ek hurde koalstof brûke as de negative elektrode ynstee fan grafyt, en de reden is dat de PC hjirboppe ynterkalaasje yn grafyt hat)

Positive elektrodes: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6

Negative elektrode: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-

Oan 'e oare kant, yn 1978, Armand, M. foarstelde it brûken fan polyethylene glycol (PEO) as in fêste polymear electrolyte te lossen it probleem boppe dat de grafyt anode is maklik ynbêde yn oplosmiddel PC molekulen (de mainstream elektrolyt op dat stuit noch brûkt PC, DEC mingde oplossing), dy't foar it earst grafyt yn it lithiumbatterijsysteem sette, en it konsept fan rocking-stoelbatterij (rocking-stoel) yn it folgjende jier foarstelde. Sa'n konsept is trochgien oant hjoed de dei. De hjoeddeistige mainstream elektrolytsystemen, lykas ED/DEC, EC/DMC, ensfh., ferskynden stadichoan yn 'e jierren '1990 en binne sûnt dy tiid yn gebrûk west.

Yn deselde perioade ûndersochten wittenskippers ek in searje batterijen: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ batterijen, Li‖V〖SE〗_2 ┤ batterijen, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 batterijen, Li‖CuO,┤ Li ‖I_2 ┤Batterijen, ensfh., Om't se no minder weardefol binne, en d'r binne net in protte soarten ûndersyk, sadat ik se net yn detail sil yntrodusearje.

• Li-ion batterij toaniel

It tiidrek fan ûntwikkeling fan lithium-ion-batterijen nei 1991 is it tiidrek wêryn wy no binne. Hjir sil ik it ûntwikkelingsproses net yn detail gearfetsje, mar koart it gemyske systeem fan in pear lithium-ion-batterijen yntrodusearje.

In ynlieding oer hjoeddeistige lithium-ion-batterijsystemen, hjir is it folgjende diel.