Ny bateria Lithium-ion no bateria faharoa mitombo haingana indrindra aorian’ny bateria nickel-cadmium sy nickel-hydrogen. Ny toetrany mahery vaika dia mahatonga ny hoaviny ho mamirapiratra. Na izany aza, tsy tonga lafatra ny bateria lithium-ion, ary ny olana lehibe indrindra dia ny fahamarinan’ny tsingerin’ny fiampangana azy. Ity lahatsoratra ity dia mamintina sy manadihady ny mety ho antony mahatonga ny fanjavonan’ny bateria Li-ion, ao anatin’izany ny overcharge, ny fahasimban’ny electrolyte ary ny famotsorana ny tenany.

Ny bateria Lithium-Ion dia manana angovo intercalation samihafa rehefa misy fanehoan-kevitra intercalation eo anelanelan’ny electrodes roa, ary mba hahazoana ny fampisehoana tsara indrindra amin’ny bateria, ny tahan’ny fahafahan’ny electrodes roa dia tokony hihazona sanda voalanjalanja.

Ao amin’ny bateria lithium-ion, ny fifandanjana fahaiza-manao dia aseho ho toy ny tahan’ny faobe amin’ny electrode tsara amin’ny electrode ratsy,

Izany hoe: γ=m+/m-=ΔxC-/ΔyC+

In the above formula, C refers to the theoretical coulombic capacity of the electrode, and Δx and Δy refer to the stoichiometric number of lithium ions embedded in the negative electrode and the positive electrode, respectively. It can be seen from the above formula that the required mass ratio of the two poles depends on the corresponding Coulomb capacity of the two poles and the number of their respective reversible lithium ions.

picture

Amin’ny ankapobeny, ny tahan’ny faobe kely kokoa dia mitarika amin’ny fampiasana tsy feno ny fitaovana elektroda ratsy; Ny tahan’ny faobe lehibe kokoa dia mety hiteraka loza ho an’ny fiarovana noho ny fihoaran’ny electrode ratsy. Raha fintinina, amin’ny tahan’ny faobe optimized, ny fahombiazan’ny bateria no tsara indrindra.

Ho an’ny rafitra bateria Li-ion tsara indrindra dia tsy miova ny fifandanjan’ny fahafaha-manao mandritra ny tsingerina, ary ny fahafaha-manao voalohany amin’ny tsingerina tsirairay dia sanda iray, fa ny tena zava-misy dia sarotra kokoa. Ny fanehoan-kevitra rehetra mety hiteraka na handevona ny lithium ion na elektrônika dia mety hitarika fiovana eo amin’ny fifandanjan’ny bateria. Raha vantany vao miova ny toetry ny fifandanjana amin’ny bateria, dia tsy azo ovaina io fiovana io ary azo angonina amin’ny tsingerina maromaro, ka miteraka fampandehanana ny bateria. Fiantraikany mafy. Ao amin’ny bateria lithium-ion, ankoatry ny fanehoan-kevitra redox izay mitranga rehefa deintercalated ny lithium ion, dia misy ihany koa ny fanehoan-kevitry ny lafiny maro, toy ny fanimbana ny electrolyte, ny famongorana ny fitaovana mavitrika, ary ny fametrahana lithium metaly.

Antony 1: Famandrihana tafahoatra

1. Fihetseham-po mahery vaika amin’ny electrode graphite ratsy:

Rehefa be loatra ny bateria dia mora mihena ny ion lithium ary apetraka eo ambonin’ny elektrôda ratsy:

picture

Ny lithium napetraka dia manarona ny elektrôda ratsy, manakana ny intercalation ny lithium. Izany dia miteraka fihenan’ny fahombiazan’ny fivoahana sy ny fahaverezan’ny fahafaha-manao noho ny:

①Reduce the amount of recyclable lithium;

②Ny lithium metaly napetraka dia mihetsika amin’ny solvent na electrolyte mpanohana mba hamorona Li2CO3, LiF na vokatra hafa;

③ Ny lithium metaly dia matetika miforona eo anelanelan’ny electrode ratsy sy ny separator, izay mety hanakana ny mason’ny separator ary hampitombo ny fanoherana anatiny amin’ny bateria;

④ Noho ny toetra tena mavitrika amin’ny lithium, dia mora ny mihetsika amin’ny electrolyte ary mandany ny electrolyte, ka miteraka fihenan’ny fahombiazan’ny fivoahana sy ny fahaverezan’ny fahafaha-manao.

Ny fiampangana haingana, ny hakitroky amin’izao fotoana izao dia lehibe loatra, ny electrode ratsy dia polarized mafy, ary ny fametrahana ny lithium dia hiharihary kokoa. Mety hitranga izany rehefa be loatra ny fitaovana mavitrika electrode positive raha oharina amin’ny fitaovana mavitrika electrode ratsy. Na izany aza, amin’ny trangan’ny tahan’ny fiampangana avo dia mety hitranga ny fametrahana lithium metaly na dia ara-dalàna aza ny tahan’ny akora miasa tsara sy ratsy.

2. Positive electrode overcharge fanehoan-kevitra

Raha ambany loatra ny tahan’ny fitaovana mavitrika electrode positive amin’ny fitaovana mavitrika electrode ratsy, dia mety hitranga ny overcharge electrode positive.

Ny fahaverezan’ny fahafaha-manao vokatry ny overcharge ny electrode tsara dia indrindra noho ny famokarana electrochemically inert akora (toy ny Co3O4, Mn2O3, sns), izay manimba ny fahafahana mandanjalanja eo amin’ny electrodes, ary ny fahafahana very dia tsy azo ovaina.

(1) LiyCoO2

LiyCoO2→(1-y)/3[Co3O4＋O2(g)]＋yLiCoO2 y<0.4

Mandritra izany fotoana izany, ny oksizenina ateraky ny fanimbana ny fitaovana electrode tsara ao amin’ny batterie lithium-ion voaisy tombo-kase dia miangona miaraka satria tsy misy fanehoan-kevitra recombination (toy ny taranaka H2O) sy ny entona mirehitra vokatry ny fahasimbana. ny electrolyte, ary tsy ho azo eritreretina ny vokany.

(2) λ-MnO2

Ny fihetsiky ny litium-manganese dia mitranga rehefa tapaka tanteraka ny oxide lithium-manganese: λ-MnO2→Mn2O3+O2(g)

3. Ny electrolyte dia oxidized rehefa be loatra

Rehefa ambony noho ny 4.5V ny fanerena, ny electrolyte dia ho oxidized mba hiteraka insolubles (toy ny Li2Co3) sy ny entona. Ireo tsy mety levona ireo dia hanakana ny micropores amin’ny electrode ary hanakana ny fifindran’ny litium ion, ka miteraka fahaverezan’ny fahafaha-manao mandritra ny bisikileta.

Antony izay misy fiantraikany amin’ny tahan’ny oxidation:

Ny velaran’ny fitaovana electrode positive

Fitaovana mpanangona ankehitriny

Fanampiana conductive agent (carbon black, sns.)

The type and surface area of ​​carbon black

Amin’ireo electrolytes fampiasa matetika kokoa, ny EC/DMC dia heverina ho manana fanoherana oxidation ambony indrindra. Ny dingan’ny oxidation electrochemical amin’ny vahaolana dia aseho amin’ny ankapobeny toy ny: vahaolana → vokatra oxidation (gazy, vahaolana ary zavatra mivaingana) + ne-

The oxidation of any solvent will increase the electrolyte concentration, decrease the electrolyte stability, and ultimately affect the capacity of the battery. Assuming that a small amount of electrolyte is consumed each time it is charged, more electrolyte is required during battery assembly. For a constant container, this means that a smaller amount of active substance is loaded, which results in a decrease in the initial capacity. In addition, if a solid product is produced, a passivation film will be formed on the surface of the electrode, which will increase the polarization of the battery and reduce the output voltage of the battery.

Antony 2: Fahapotehan’ny electrolyte (mihena)

Mipoitra eo amin’ny electrode aho

1. Ny electrolyte dia simba amin’ny electrode tsara:

Ny electrolyte dia misy solvent sy electrolyte mpanohana. Rehefa simba ny cathode dia matetika miforona ny vokatra tsy mety levona toy ny Li2Co3 sy LiF, izay mampihena ny fahafahan’ny bateria amin’ny fanakanana ny mason’ny electrode. Ny fanehoan-kevitry ny fampihenana ny electrolyte dia hisy fiantraikany ratsy amin’ny fahafaha-manao sy ny fiainan’ny bateria. Ny entona ateraky ny fampihenana dia mety hampitombo ny tsindry anatiny amin’ny bateria, izay mety hiteraka olana amin’ny fiarovana.

Ny malefaka electrode decomposition tsara dia matetika lehibe noho 4.5V (vs. Li / Li +), ka tsy mora levona eo amin’ny electrode tsara. Mifanohitra amin’izany, ny electrolyte dia mora levona amin’ny electrode ratsy.

2. Ny electrolyte dia levona amin’ny electrode ratsy:

Ny electrolyte dia tsy miorina amin’ny graphite sy ny anodes karbonika hafa ampidirina lithium, ary mora ny mihetsika mba hamoronana fahaiza-manao tsy azo ovaina. Nandritra ny fiampangana voalohany sy ny fivoahana, ny fanimbana ny electrolyte dia hamorona sarimihetsika passivation eo ambonin’ny electrode, ary ny sarimihetsika passivation dia afaka manasaraka ny electrolyte amin’ny karbaona ratsy electrode mba hisorohana ny fahasimbana bebe kokoa ny electrolyte. Noho izany, ny fahamarinan-toerana ara-drafitra ny anode karbôna dia voatazona. Amin’ny toe-javatra tsara indrindra, ny fampihenana ny electrolyte dia voafetra amin’ny dingana fananganana sarimihetsika passivation, ary io dingana io dia tsy mitranga rehefa milamina ny tsingerina.

Famoronana sarimihetsika passivation

Ny fampihenana ny sira electrolyte dia mandray anjara amin’ny fananganana ny sarimihetsika passivation, izay mahasoa amin’ny fanamafisana ny sarimihetsika passivation, fa

(1) Ny zavatra tsy mety levona vokarin’ny fampihenana dia hisy fiantraikany ratsy amin’ny vokatra fampihenana solvent;

(2) Mihena ny fifantohan’ny electrolyte rehefa mihena ny sira elektrôlôty, izay mitarika amin’ny fahaverezan’ny fahafahan’ny batterie (LiPF6 dia mihena ho LiF, LixPF5-x, PF3O ary PF3);

(3) Ny fananganana ny sarimihetsika passivation dia mandany lithium ions, izay hahatonga ny tsy fifandanjana eo amin’ny roa electrodes mba hampihenana ny fahaiza-manao manokana ny bateria manontolo.

(4) Raha misy triatra amin’ny sarimihetsika passivation, ny molekiola solvent dia afaka miditra sy manamaivana ny sarimihetsika passivation, izay tsy mandany lithium bebe kokoa, fa mety hanakana ny micropores amin’ny ety ambonin’ny karbaona, ka mahatonga ny tsy fahafahan’ny lithium hampidirina ary nalaina. , miteraka fahaverezan’ny fahafaha-manao tsy azo ovaina. Ny fampidirana additives tsy ara-organika sasany amin’ny electrolyte, toy ny CO2, N2O, CO, SO2, sns., dia afaka manafaingana ny fananganana ny sarimihetsika passivation ary manakana ny fampidirana sy ny fanimbana ny solvent. Ny fanampin’ny additives organika satroboninahitra etera dia manana fiantraikany mitovy ihany koa. Satroboninahitra 12 sy etera 4 no tsara indrindra.

Antony mahatonga ny fahaverezan’ny fahafahan’ny sarimihetsika:

(1) Ny karazana karbaona ampiasaina amin’ny dingana;

(2) Electrolyte composition;

(3) Additives amin’ny electrodes na electrolytes.

Mino i Blyr fa ny fihetsiketsehan’ny fifanakalozana ion dia mandroso avy eny ambonin’ny poti-javatra mavitrika mankany amin’ny fotony, ny dingana vaovao niforona dia mandevina ny fitaovana mavitrika tany am-boalohany, ary ny sarimihetsika passive miaraka amin’ny conductivity ionika sy elektronika ambany dia miforona eo amin’ny endrik’ilay singa, ka ny spinel aorian’ny fitehirizana Polarization lehibe kokoa noho ny talohan’ny fitehirizana.

Hitan’i Zhang fa nitombo ny fanoherana ny sosona passivation surface ary nihena ny capacitance interfacial miaraka amin’ny fitomboan’ny isan’ny tsingerina. Hita taratra izany fa mitombo ny hatevin’ny sosona passivation miaraka amin’ny isan’ny tsingerina. Ny famongorana ny manganese sy ny fanimbana ny electrolyte dia mitarika amin’ny fiforonan’ny sarimihetsika passivation, ary ny toetry ny mari-pana ambony dia mety kokoa amin’ny fandrosoan’ireo fanehoan-kevitra ireo. Izany dia hampitombo ny fanoherana ny fifandraisana eo amin’ny poti-matevina mavitrika sy ny fanoherana ny fifindra-monina Li +, ka hampitombo ny polarization ny bateria, ny fiampangana tsy feno sy ny famoahana, ary ny fihenan’ny fahafaha-manao.

II Mekanisma fampihenana ny Electrolyte

The electrolyte often contains oxygen, water, carbon dioxide and other impurities, and redox reactions occur during the charging and discharging process of the battery.

Ny mekanika fampihenana ny electrolyte dia misy lafiny telo: ny fampihenana ny solvent, ny fampihenana ny electrolyte ary ny fampihenana ny loto:

1. Ny fihenan’ny solvent

Ny fampihenana ny PC sy ny EC dia ahitana fanehoan-kevitra elektronika iray sy fizotry ny fanehoan-kevitra elektronika roa, ary ny fanehoan-kevitry ny elektronika roa dia Li2CO3:

Fong et al. nino fa nandritra ny dingana voalohany fivoahana, rehefa ny electrode mety ho akaiky ny 0.8V (vs. Li / Li +), ny electrochemical fanehoan-kevitra ny PC / EC nitranga tamin’ny graphite mba hiteraka CH=CHCH3(g)/CH2=CH2(g) ary LiCO3(s), mitarika ho amin’ny fahaverezan’ny fahafaha-miverina amin’ny electrodes graphite.

Aurbach et al. conducted extensive research on the reduction mechanism and products of various electrolytes on lithium metal electrodes and carbon-based electrodes, and found that the one-electron reaction mechanism of PC produces ROCO2Li and propylene. ROCO2Li is very sensitive to trace water. The main products are Li2CO3 and propylene in the presence of trace water, but no Li2CO3 is produced under dry conditions.

Famerenana ny DEC:

Ein-Eli Y dia nitatitra fa ny electrolyte mifangaro amin’ny diethyl carbonate (DEC) sy dimethyl carbonate (DMC) dia handalo fanehoan-kevitra amin’ny fifanakalozam-bola ao amin’ny bateria mba hamoronana ethyl methyl carbonate (EMC), izay tompon’andraikitra amin’ny fahaverezan’ny fahafaha-manao. fitaomana sasany.

2. Ny fihenan’ny electrolyte

Ny fanehoan-kevitry ny fampihenana ny electrolyte amin’ny ankapobeny dia heverina ho tafiditra amin’ny fananganana ny sarimihetsika elektrôda karbonika ambonin’ny sarimihetsika, ka ny karazana sy ny fifantohana dia hisy fiantraikany amin’ny fahombiazan’ny electrode karbônina. Amin’ny toe-javatra sasany, ny fampihenana ny electrolyte mandray anjara amin’ny stabilization ny karbaona ambonin’ny, izay afaka mamorona ny tiana passivation sosona.

Amin’ny ankapobeny dia inoana fa ny electrolyte mpanohana dia mora kokoa noho ny solvent, ary ny vokatra fampihenana dia mifangaro amin’ny sarimihetsika deposition electrode ratsy ary misy fiantraikany amin’ny fahapotehan’ny bateria. Ny fanehoan-kevitra mety ho fampihenana ny electrolytes mpanohana dia toy izao manaraka izao:

3. Fampihenana ny loto

(1) Raha avo loatra ny votoatin’ny rano ao amin’ny electrolyte, dia hiforona ny tahiry LiOH(s) sy Li2O, izay tsy mety amin’ny fampidirana ny litium ion, ka miteraka fatiantoka tsy azo ovaina:

H2O＋e→OH-＋1/2H2

OH-＋Li+→LiOH(s)

LiOH+Li++e-→Li2O(s)+1/2H2

Ny LiOH(s) vokarina dia apetraka eo amin’ny tampon’ny electrode, mamorona sarimihetsika ambonin’ny fanoherana avo, izay manakana ny intercalation Li + ao amin’ny electrode graphite, ka miteraka fahaverezan’ny fahafaha-manao tsy azo ovaina. Ny rano kely (100-300 × 10-6) ao amin’ny solvent dia tsy misy fiantraikany amin’ny fanatanterahana ny electrode graphite.

(2) Ny CO2 ao amin’ny solvent dia azo ahena amin’ny electrode ratsy mba hamorona CO sy LiCO3 (s):

2CO2+2e-+2Li+→Li2CO3+CO

Ny CO dia hampitombo ny tsindry anatiny amin’ny bateria, ary ny Li2CO3(s) dia hampitombo ny fanoherana anatiny amin’ny bateria ary hisy fiantraikany amin’ny fahombiazan’ny bateria.

(3) Ny fisian’ny oksizenina ao amin’ny solvent dia hamorona Li2O ihany koa

1/2O2+2e-+2Li+→Li2O

Satria kely ny fahasamihafana misy eo amin’ny lithium metaly sy karbônina mifamatotra tanteraka, ny fampihenana ny electrolyte amin’ny karbaona dia mitovy amin’ny fihenan’ny lithium.

Antony 3: Famoahana tena

Ny famotsorana tena dia manondro ny trangan-javatra izay mahatonga ny bateria very ny fahafahany ho azy rehefa tsy ampiasaina. Ny famotsorana ny bateria Li-ion dia miteraka fahaverezan’ny fahafaha-manao amin’ny tranga roa:

Ny iray dia ny fahaverezan’ny fahafaha-miverina;

Ny faharoa dia ny fahaverezan’ny fahafaha-manao tsy azo ovaina.

Ny fatiantoka azo averina dia midika fa ny fahafaha-manao very dia azo averina mandritra ny famandrihana, raha ny mifanohitra amin’izany kosa ny fatiantoka tsy azo ovana. Ny electrodes tsara sy ratsy dia mety miasa toy ny microbattery miaraka amin’ny electrolyte amin’ny fanjakana voampanga, ka miteraka intercalation sy deintercalation lithium ion, ary intercalation sy deintercalation ny electrodes tsara sy ratsy. Ny litium ions tafiditra dia tsy misy ifandraisany amin’ny lithium ions amin’ny electrolyte ihany, noho izany dia tsy voalanjalanja ny fahafahan’ny electrodes tsara sy ratsy, ary ity ampahany amin’ny fatiantoka ity dia tsy azo averina mandritra ny famandrihana. Toy ny:

Lithium manganese oxide electrode tsara sy ny solvent dia hiteraka micro-batterie fiantraikany sy ny tena famotsorana, ka miteraka tsy azo ivalozany fahafahana very:

LiyMn2O4+xLi++xe-→Liy+xMn2O4

Ny molekiola solvent (toy ny PC) dia oxidized eo ambonin’ny fitaovana conductive karbaona mainty na mpanangona ankehitriny ho anode microbattery:

xPC→xPC-radical+xe-

Toy izany koa, ny akora mavitrika ratsy dia mety hifanerasera amin’ny elektrôlôty mba hahatonga ny tenany hivoaka sy hiteraka fahaverezan’ny fahafaha-manao tsy azo ivalozana, ary ny electrolyte (toy ny LiPF6) dia mihena amin’ny fitaovana conductive:

PF5+xe-→PF5-x

Lithium carbide amin’ny fanjakana voampanga dia oxidized amin’ny alalan’ny fanesorana Lithium ions ho ratsy electrode ny microbattery:

LiyC6→Liy-xC6+xLi+++xe-

Factors affecting self-discharge: the manufacturing process of the positive electrode material, the manufacturing process of the battery, the properties of the electrolyte, temperature, and time.