Apakah Sel Bateri?
Struktur Sel
Bateri tunggal, juga dikenali sebagai "sel", ialah unit terkecil sistem bateri. Ia terutamanya terdiri daripada katod (Elektrod Katod), anod (Elektrod Anod), elektrolit (Elektrolit), pemisah (Separator), dan kes (Kes), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7-1.
Lembaran elektrod sel ion litium-boleh dikategorikan sebagai bahan komposit, terutamanya terdiri daripada empat bahagian:
1) Zarah bahan aktif yang meninterkalasi atau menyahinterkala ion litium; zarah katod menyediakan sumber litium, manakala zarah anod menerima ion litium.
2) Fasa pengalir (fasa gel karbon) yang dibentuk oleh campuran agen pengalir dan pengumpul arus, dengan pengikat berfungsi sebagai fungsi ikatan; salutan mengalirkan elektron melalui pengumpul semasa dan agen pengalir.
3)Liang-liang yang diisi dengan elektrolit, yang berfungsi sebagai saluran untuk pengangkutan ion litium{1}}dalam helaian elektrod.
4)Pengumpul semasa.
Semasa proses elektrokimia, salutan elektrod terutamanya melibatkan 4 proses berikut:
1) Pengangkutan elektron.
2) Pengangkutan ion.
3) Pertukaran cas pada antara muka zarah elektrolit/elektrod, iaitu tindak balas elektrokimia.
4) Resapan ion litium dalam fasa pepejal. Dalam struktur mikro helaian elektrod, saiz zarah dan pengedaran mempengaruhi laluan resapan-ion litium dan luas permukaan khusus tindak balas elektrokimia; saiz dan pengedaran liang mempengaruhi proses pengangkutan elektrolit; keliangan mempengaruhi jumlah bahan aktif dan luas permukaan khusus tindak balas elektrokimia. Kesemua ciri mikrostruktur ini akhirnya mempengaruhi prestasi bateri.
Struktur Katod
Katod sel terutamanya terdiri daripada bahan katod seperti LiCoO₂, agen pengalir, pengikat (PVDF), dan pengumpul arus (kerajang aluminium), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7-2.
Untuk bateri lithium-ion, pengumpul arus katod biasanya adalah aluminium foil dan pengumpul arus anod ialahkerajang tembaga. Untuk memastikan kestabilan pengumpul semasa di dalam bateri, ketulenan kedua-duanya mestilah melebihi 98%. Sebab mengapa bateri litium-menggunakan kerajang aluminium untuk katod dan kerajang kuprum untuk anod ialah 3 perkara berikut:
1) Tembaga dan aluminium mempunyai kekonduksian elektrik yang baik, tekstur lembut, dan harga yang rendah. Prinsip kerja bateri ion litium- ialah peranti elektrokimia yang menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Dalam proses ini, medium diperlukan untuk memindahkan tenaga kimia kepada tenaga elektrik, yang memerlukan bahan konduktif. Antara bahan biasa, logam mempunyai kekonduksian elektrik yang terbaik, dan antara logam, tembaga dan aluminium menawarkan kedua-dua kekonduksian yang sangat baik dan harga yang agak rendah dalam bentuk kerajang kuprum dan kerajang aluminium. Dalam bateri lithium-ion, terdapat dua kaedah pemprosesan terutamanya: penggulungan dan penyusunan. Berbanding dengan tindanan, penggulungan memerlukan kepingan elektrod yang digunakan untuk menyediakan bateri mempunyai fleksibiliti tertentu untuk memastikan bahawa kepingan elektrod tidak menjadi rapuh atau pecah semasa penggulungan. Antara bahan logam, kerajang kuprum dan aluminium adalah lembut, kerajang kuprum/aluminium yang agak keras adalah mahal, kerajang kuprum dan aluminium agak murah, dan sumber tembaga dan aluminium banyak terdapat di seluruh dunia.
2) Kerajang tembaga dan aluminium juga agak stabil di udara. Aluminium mudah bertindak balas secara kimia dengan oksigen di udara untuk membentuk filem oksida padat di permukaan, menghalang tindak balas selanjutnya aluminium. Filem oksida tembaga/aluminium ini juga memberikan kesan perlindungan tertentu pada aluminium dalam elektrolit. Tembaga itu sendiri agak stabil di udara dan pada asasnya tidak mengalami tindak balas kimia dalam udara kering.
3)Keupayaan katod dan anod bagi bateri litium-}menentukan bahawa kerajang aluminium digunakan untuk katod dan kerajang kuprum untuk anod, dan ia tidak boleh diterbalikkan. Potensi katod adalah tinggi, dan kerajang kuprum mudah teroksida pada potensi tinggi, manakala aluminium mempunyai potensi pengoksidaan yang tinggi dan filem oksida padat pada lapisan permukaannya, yang juga memberikan perlindungan yang baik untuk aluminium dalaman.
Dalam kekisi kristal aluminium logam, kuprum dan aluminium mempunyai saiz yang sama dengan Li dan boleh dengan mudah membentuk sebatian antara logam dengan Li seperti LiAl. Li dan Al bukan sahaja boleh membentuk aloi dengan formula kimia LiAl, tetapi juga boleh membentuk lapisan aloi Li₉Al₄,Li₃Al₂,Li₅Al dan Li₂Al. Lapisan aloi ini menggunakan sejumlah besar Li dan merosakkan struktur serta morfologi Al itu sendiri, jadi ia tidak boleh digunakan sebagai pengumpul arus anod bagi bateri-}ion litium; manakala Cu mengalami pembubaran yang sangat sedikit semasa pengecasan bateri-nyahcas dan mengekalkan kestabilan struktur dan elektrokimia, menjadikannya sesuai sebagai pengumpul arus anod untuk bateri-ion litium. Untuk kerajang tembaga pada 3.5V, arus polarisasi mula meningkat dengan ketara dan meningkat secara linear, dengan pengoksidaan yang dipergiatkan, menunjukkan bahawa Cu juga mula larut dalam bateri; manakala untuk kerajang aluminium merentasi keseluruhan julat potensi polarisasi, arus polarisasi adalah kecil dan stabil, tanpa fenomena kakisan yang jelas diperhatikan, mengekalkan kestabilan elektrokimia. Memandangkan jumlah pelarutan Al dalam julat potensi katod bagi bateri-ion litium adalah sangat kecil dan kestabilan elektrokimia boleh dikekalkan, ia sesuai sebagai pengumpul arus katod untuk bateri-ion litium.
Lapisan oksida pada permukaan kuprum/aluminium tergolong dalam semikonduktor dan mengalirkan elektron; jika lapisan oksida terlalu tebal, impedans adalah besar; manakala lapisan aluminium oksida pada permukaan aluminium adalah penebat dan tidak boleh mengalirkan elektrik, tetapi kerana ia sangat nipis, pengaliran elektron dicapai melalui kesan terowong; jika lapisan oksida tebal, kekonduksian kuprum/aluminium foil adalah lemah atau malah penebat. Secara amnya, kerajang kuprum/aluminium perlu dibersihkan daripada lapisan oksida sebelum digunakan untuk mengeluarkan minyak pada satu tangan dan lapisan oksida tebal di pihak yang lain. Potensi katod adalah tinggi, dan lapisan aluminium oksida sangat padat, yang boleh menghalang pengoksidaan pengumpul semasa. Lapisan oksida tembaga/nikel dsb. agak longgar, mudah menghalang pengumpul semasa dan memberikan prestasi bateri yang lebih baik. Pada masa yang sama, potensi anod bateri litium-adalah rendah dan kuprum/nikel akan mengalami tindak balas pengoksidaan, dengan tindak balas pengoksidaan/kuprum/de-yang berlaku pada permukaan kuprum/nikel, manakala aluminium mengalami pengaloian LiAl pada potensi tinggi.
Pengumpul semasa memerlukan komposisi tulen. Kekotoran dalam Al akan menjadikan filem permukaan kurang tumpat dan menyebabkan kakisan pitting, dan lebih teruk lagi, pemusnahan filem permukaan membawa kepada pembentukan aloi LiAl.
Pengumpul semasa memerlukan komposisi tulen. Kekotoran dalam Al akan menyebabkan filem permukaan menjadi kurang tumpat, membawa kepada kakisan pitting, dan lebih teruk lagi, pemusnahan filem permukaan mengakibatkan pembentukan aloi LiAl.
Untuk bateri litium-ion, kerajang aluminium katod telah dikurangkan daripada 16μm kepada 14μm, kemudian kepada 12μm, dan kini kerajang aluminium 10μm sudah pun dalam pengeluaran besar-besaran, malah ada yang menggunakan 8μm; untuk kerajang kuprum anod, disebabkan fleksibiliti yang lebih baik, ketebalannya telah dikurangkan daripada 12μm sebelumnya kepada 10μm, kemudian kepada 8μm, dan pada masa ini sebahagian besar bateri dihasilkan secara jisim-menggunakan 6μm, manakala sesetengah pengeluar sedang membangunkan 5μm/4μm yang juga berpotensi untuk digunakan. Memandangkan bateri{14}}ion litium mempunyai keperluan ketulenan yang tinggi untuk kerajang kuprum yang digunakan, ketumpatan bahan pada asasnya adalah pada tahap yang sama. Apabila ketebalan dalam pembangunan berkurangan, ketumpatan kawasan berkurangan dengan sewajarnya, dan berat bateri secara semula jadi menjadi lebih ringan dan ringan, yang memenuhi permintaan untuk bateri{16}}ion litium.
Bagi pengumpul semasa, sebagai tambahan kepada ketebalan dan beratnya yang mempengaruhi bateri lithium-ion, sifat permukaan pengumpul semasa juga mempunyai kesan ketara pada pengeluaran dan prestasi bateri. Khususnya untuk pengumpul arus anod, disebabkan oleh kecacatan dalam teknologi penyediaan, kerajang kuprum di pasaran kebanyakannya adalah jenis kasar-sebelah, kasar-dua belah dan jenis kasar dua-dua belah. Struktur dua-tak simetri ini akan membawa kepada rintangan sentuhan asimetri salutan anod pada kedua-dua belah, dengan itu menghalang pelepasan seragam kapasiti anod pada kedua-dua belah; pada masa yang sama, asimetri pada kedua-dua belah pihak juga akan menyebabkan kekuatan lekatan yang tidak konsisten salutan anod, menyebabkan hayat kitaran pelepasan-caj yang tidak seimbang yang teruk pada salutan anod pada kedua-dua belah, yang seterusnya mempercepatkan pereputan kapasiti bateri.
Formulasi katod bagi satu sel adalah teknologi teras utama sel. Di bawah adalah contoh:
1)LiCoO₂ (10μm): 96.0%.
2)Ejen konduktif (ECP Karbon): 2.0%.
3)Pengikat (PVDF 761): 2.0%.
4)Penggalak lekatan (NMP): Nisbah berat bahan pepejal adalah lebih kurang 810:1496.
Langkah berjaga-jaga perumusan katod:
1)Kawalan kelikatan buburan katod pada 6000cP (1cP=1mPa · s) (suhu 25 darjah ).
2) Berat NMP mesti dilaraskan dengan sewajarnya untuk memenuhi keperluan kelikatan.
3) Beri perhatian khusus kepada pengaruh suhu dan kelembapan pada kelikatan.
Bahan katod litium kobalt oksida: Bahan aktif katod, sumber ion litium, menyediakan sumber litium untuk bateri. Bahan bukan-kutub, bentuk tidak sekata, saiz zarah D50 umumnya 6-8μm, kandungan lembapan Kurang daripada atau sama dengan 0.2%, biasanya beralkali, pH 10-11.
Bahan katod litium mangan oksida: Bahan bukan-kutub, bentuk tidak sekata, saiz zarah D50 umumnya 5-7μm, kandungan lembapan Kurang daripada atau sama dengan 0.2%, biasanya beralkali lemah, pH sekitar 8.
Agen konduktif: Rantaian-seperti bahan, kandungan lembapan<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.
Pengikat (PVDF): Bukan-bahan kutub, rantai-seperti, berat molekul antara 300000 hingga 3000000; berat molekul berkurangan selepas penyerapan air, mengakibatkan lekatan yang lebih lemah. Ia digunakan untuk mengikat litium kobalt oksida, agen konduktif, dan kerajang aluminium atau jejaring aluminium bersama-sama Penganjur pelekatan (NMP): Cecair berkutub lemah, digunakan untuk melarutkan/membengkak PVDF dan pada masa yang sama mencairkan buburan.
Pengumpul arus (tab katod): Diperbuat daripada kerajang aluminium atau jalur aluminium.
Struktur Anod
Struktur anod sel terdiri daripada bahan grafit, agen konduktif, pemekat (CMC), pengikat (SBR), dan pengumpul arus (kerajang kuprum), seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 7-3.
Formulasi anod sel tunggal juga merupakan salah satu teknologi teras utama sel, biasanya seperti berikut:
1)Bahan anod (grafit): 94.5%.
2)Agen konduktif (ECP Karbon): 1.0% (Ketjenblack).
3)Pengikat (stirena-lateks getah butadiena, SBR): 2.25%.
4)Pemekat (carboxymethyl cellulose, CMC): 2.25%.
5)Air: Nisbah berat bahan pepejal ialah 1600:1417.5.
Langkah berjaga-jaga perumusan anod:
1) Kawalan kelikatan buburan anod pada 5000-6000cP (suhu 25 darjah ).
2) Berat air perlu disesuaikan dengan sewajarnya untuk memenuhi keperluan kelikatan.
3) Beri perhatian khusus kepada pengaruh suhu dan kelembapan pada kelikatan.
Grafit: Bahan aktif anod, bahan utama yang membentuk tindak balas anod, terutamanya dibahagikan kepada dua kategori utama: grafit semula jadi dan grafit tiruan. Bahan bukan-kutub, mudah dicemari oleh bahan bukan-kutub, mudah tersebar dalam-bahan bukan kutub; tidak mudah menyerap air, dan tidak mudah tersebar di dalam air. Grafit yang tercemar, selepas ditaburkan dalam air, cenderung untuk-mengumpal semula. Saiz zarah am D50 adalah sekitar 20μm. Bentuk zarah adalah pelbagai dan kebanyakannya tidak teratur, terutamanya sfera, mengelupas, berserabut, dsb.
Fungsi agen konduktif:
1) Meningkatkan kekonduksian helaian anod dan mengimbangi kekonduksian elektronik bahan aktif anod.
2) Meningkatkan kedalaman tindak balas dan kadar penggunaan.
3) Menghalang penjanaan dendrit.
4)Gunakan cecair-kapasiti menyerap bahan konduktif untuk meningkatkan antara muka tindak balas dan mengurangkan polarisasi (boleh ditambah atau tidak mengikut taburan saiz zarah grafit).
Aditif: Mengurangkan tindak balas tidak boleh balik, meningkatkan kekuatan ikatan dan kelikatan buburan, dan mencegah pemendapan buburan.
Ejen pengental/anti{0}}penetapan (CMC): Sebatian molekul tinggi, mudah larut dalam air dan pelarut polar.
Isopropanol: Bahan kutub lemah; selepas tambahan, ia boleh mengurangkan kekutuban penyelesaian pengikat, meningkatkan keserasian antara penyelesaian grafit dan pengikat; mempunyai kesan defoaming yang kuat; dengan mudah memangkinkan silang-pautan rangkaian pengikat dan meningkatkan kekuatan ikatan.
Etanol: Bahan kutub lemah; selepas tambahan, ia boleh mengurangkan kekutuban penyelesaian pengikat, meningkatkan keserasian antara penyelesaian grafit dan pengikat; mempunyai kesan defoaming yang kuat; memangkinkan pemautan silang-linear pengikat dan meningkatkan kekuatan ikatan (fungsi isopropanol dan etanol pada asasnya adalah sama; apabila jisim-menghasilkan, faktor kos boleh dipertimbangkan untuk memilih yang mana satu untuk ditambah).
-pengikat berasaskan air (SBR): Mengikat grafit, agen konduktif, bahan tambahan dan kerajang kuprum atau jaringan tembaga bersama-sama; molekul emulsi rantai linear, sangat larut dalam air dan pelarut polar.
Air ternyahion (atau air suling): Pencair, ditambah dalam jumlah yang sesuai, boleh mengubah kecairan buburan.
Tab anod: Diperbuat daripada kerajang kuprum atau jalur kuprum.
