Ano ang Battery cell?
Istraktura ng Cell
Ang nag-iisang baterya, na kilala rin bilang isang "cell", ay ang pinakamaliit na yunit ng isang sistema ng baterya. Pangunahing binubuo ito ng cathode (Cathode Electrode), anode (Anode Electrode), electrolyte (Electrolyte), separator (Separator), at case (Case), tulad ng ipinapakita sa Figure 7-1.
Ang electrode sheet ng lithium-ion cell ay maaaring ikategorya bilang isang composite material, pangunahin na binubuo ng apat na bahagi:
1) Mga partikulo ng aktibong materyal na nag-intercalate o nag-deintercalate ng mga lithium ions; Ang mga cathode particle ay nagbibigay ng lithium source, habang ang anode particle ay tumatanggap ng lithium ions.
2) Ang conductive phase (carbon gel phase) na nabuo sa pamamagitan ng pinaghalong conductive agent at kasalukuyang collector, na may binder na nagsisilbing bonding function; ang patong ay nagsasagawa ng mga electron sa pamamagitan ng kasalukuyang kolektor at conductive agent.
3) Mga butas na puno ng electrolyte, na nagsisilbing mga channel para sa paglilipat ng lithium-ion sa loob ng electrode sheet.
4) Kasalukuyang kolektor.
Sa panahon ng proseso ng electrochemical, ang electrode coating ay pangunahing nagsasangkot ng sumusunod na 4 na proseso:
1) transportasyon ng elektron.
2)Ion transport.
3)Charge exchange sa electrolyte/electrode particle interface, ibig sabihin, ang electrochemical reaction.
4) Pagsasabog ng mga lithium ions sa loob ng solid phase. Sa microstructure ng electrode sheet, ang laki at pamamahagi ng particle ay nakakaapekto sa lithium-ion diffusion path at sa partikular na surface area ng electrochemical reaction; Ang laki at pamamahagi ng butas ay nakakaapekto sa proseso ng transportasyon ng electrolyte; Ang porosity ay nakakaapekto sa dami ng aktibong materyal at ang tiyak na lugar sa ibabaw ng electrochemical reaction. Ang lahat ng microstructural na katangiang ito ay lubos na nakakaimpluwensya sa pagganap ng baterya.
Istraktura ng Cathode
Ang cell cathode ay pangunahing binubuo ng mga materyales ng cathode tulad ng LiCoO₂, conductive agent, binder (PVDF), at kasalukuyang collector (aluminyo palara), tulad ng ipinapakita sa Figure 7-2.
Para sa mga baterya ng lithium-ion, ang cathode current collector ay karaniwang aluminum foil at ang anode current collector aytansong palara. Upang matiyak ang katatagan ng kasalukuyang kolektor sa loob ng baterya, ang kadalisayan ng pareho ay dapat na higit sa 98%. Ang mga dahilan kung bakit gumagamit ng aluminum foil ang mga lithium-ion na baterya para sa cathode at copper foil para sa anode ay ang sumusunod na 3 puntos:
1) Ang tanso at aluminyo ay may magandang electrical conductivity, malambot na texture, at mababang presyo. Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ng lithium-ion na baterya ay isang electrochemical device na nagko-convert ng kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya. Sa prosesong ito, ang isang daluyan ay kinakailangan upang ilipat ang kemikal na enerhiya sa elektrikal na enerhiya, na nangangailangan ng isang conductive na materyal. Sa mga karaniwang materyales, ang mga metal ay may pinakamahusay na electrical conductivity, at sa mga metal, ang tanso at aluminyo ay nag-aalok ng parehong mahusay na conductivity at medyo mababang presyo sa anyo ng copper foil at aluminum foil. Sa mga baterya ng lithium-ion, higit sa lahat ay mayroong dalawang paraan ng pagpoproseso: paikot-ikot at pagsasalansan. Kung ikukumpara sa stacking, ang paikot-ikot ay nangangailangan ng mga electrode sheet na ginamit upang ihanda ang baterya na magkaroon ng isang tiyak na kakayahang umangkop upang matiyak na ang mga electrode sheet ay hindi magiging malutong o masira sa panahon ng paikot-ikot. Sa mga metal na materyales, ang copper at aluminum foil ay malambot, medyo matigas ang copper/aluminum foil ay mahal, ang copper at aluminum foil ay medyo mura, at ang copper at aluminum resources ay sagana sa buong mundo.
2) Ang mga copper at aluminum foil ay medyo matatag din sa hangin. Ang aluminyo ay madaling tumutugon sa kemikal sa oxygen sa hangin upang bumuo ng isang siksik na oxide film sa ibabaw, na pumipigil sa karagdagang reaksyon ng aluminyo. Ang oxide film na ito ng copper/aluminum ay nagbibigay din ng isang tiyak na proteksiyon na epekto sa aluminyo sa electrolyte. Ang tanso mismo ay medyo matatag sa hangin at karaniwang hindi sumasailalim sa mga reaksiyong kemikal sa tuyong hangin.
3) Tinutukoy ng mga potensyal na cathode at anode ng mga baterya ng lithium-ion na ginagamit ang aluminum foil para sa cathode at copper foil para sa anode, at hindi na mababaligtad ang mga ito. Ang potensyal ng cathode ay mataas, at ang copper foil ay madaling na-oxidized sa mataas na potensyal, habang ang aluminyo ay may mataas na potensyal na oksihenasyon at isang siksik na oxide film sa ibabaw na layer nito, na nagbibigay din ng mahusay na proteksyon para sa panloob na aluminyo.
Sa kristal na sala-sala ng metalikong aluminyo, ang tanso at aluminyo ay may mga sukat na katulad ng Li at madaling makabuo ng mga intermetallic compound na may Li tulad ng LiAl. Ang Li at Al ay hindi lamang maaaring bumuo ng haluang metal na may kemikal na formula na LiAl, ngunit maaari ring bumuo ng Li₉Al₄,Li₃Al₂,Li₅Al at Li₂Al na mga layer ng haluang metal. Ang mga alloy na layer na ito ay kumonsumo ng malaking halaga ng Li at sinisira ang istraktura at morpolohiya ng Al mismo, kaya hindi ito magagamit bilang kasalukuyang kolektor ng anode ng mga baterya ng lithium-ion; habang ang Cu ay sumasailalim sa napakakaunting pagkalusaw sa panahon ng pag-charge ng baterya-discharge at pinapanatili ang structural at electrochemical stability, na ginagawa itong angkop bilang anode current collector para sa lithium-ion na mga baterya. Para sa copper foil sa 3.5V, ang polarization current ay nagsisimulang tumaas nang malaki at tumataas nang linearly, na may intensified oxidation, na nagpapahiwatig na ang Cu ay nagsisimula ring matunaw sa baterya; habang para sa aluminum foil sa buong polarization potential range, ang polarization current ay maliit at stable, na walang nakikitang corrosion phenomena, na nagpapanatili ng electrochemical stability. Dahil ang dissolution amount ng Al sa cathode potential range ng lithium-ion na mga baterya ay napakaliit at ang electrochemical stability ay maaaring mapanatili, ito ay angkop bilang cathode current collector para sa lithium-ion na mga baterya.
Ang oxide layer sa tanso/aluminyo ibabaw ay nabibilang sa semiconductors at nagsasagawa ng mga electron; kung ang layer ng oksido ay masyadong makapal, ang impedance ay malaki; habang ang layer ng aluminyo oksido sa ibabaw ng aluminyo ay isang insulator at hindi maaaring magsagawa ng kuryente, ngunit dahil ito ay napakanipis, ang pagpapadaloy ng elektron ay nakakamit sa pamamagitan ng epekto ng tunneling; kung ang oxide layer ay makapal, ang conductivity ng copper/aluminum foil ay mahirap o kahit na insulating. Sa pangkalahatan, ang copper/aluminum foil ay kailangang linisin ang oxide layer bago gamitin upang alisin ang langis sa isang banda at makapal na oxide layer sa kabilang banda. Ang potensyal ng cathode ay mataas, at ang aluminyo oksido layer ay napaka siksik, na maaaring maiwasan ang oksihenasyon ng kasalukuyang kolektor. Ang mga layer ng oxide ng copper/nickel atbp ay medyo maluwag, madaling pumipigil sa kasalukuyang kolektor at nagbibigay ng mas mahusay na pagganap ng baterya. Kasabay nito, mababa ang anode potential ng mga lithium-ion na baterya, at ang copper/nickel ay sasailalim sa oxidation reactions, na may oxidation/copper/de-lithiation reactions na nagaganap sa copper/nickel surface, habang ang aluminum ay sumasailalim sa LiAl alloying sa mataas na potensyal.
Ang kasalukuyang kolektor ay nangangailangan ng purong komposisyon. Ang mga impurities sa Al ay gagawing hindi gaanong siksik ang surface film at magiging sanhi ng pitting corrosion, at mas malala pa, ang pagkasira ng surface film ay humahantong sa pagbuo ng LiAl alloy.
Ang kasalukuyang kolektor ay nangangailangan ng purong komposisyon. Ang mga impurities sa Al ay magiging sanhi ng hindi gaanong siksik ng surface film, na humahantong sa pitting corrosion, at mas masahol pa, ang pagkasira ng surface film ay nagreresulta sa pagbuo ng LiAl alloy.
Para sa mga baterya ng lithium-ion, ang cathode aluminum foil ay binawasan mula 16μm hanggang 14μm, pagkatapos ay naging 12μm, at ngayon ay nasa mass production na ang 10μm aluminum foil, na ang ilan ay gumagamit pa ng 8μm; para sa anode copper foil, dahil sa likas na mas mahusay na kakayahang umangkop nito, ang kapal nito ay nabawasan mula sa dating 12μm hanggang 10μm, pagkatapos ay sa 8μm, at sa kasalukuyan ang malaking bahagi ng mga baterya ay mass-na ginawa gamit ang 6μm, habang ang ilang mga manufacturer ay gumagawa ng 5μm/4μm na posibleng magamit din. Dahil ang mga baterya ng lithium-on ay may mataas na mga kinakailangan sa kadalisayan para sa ginamit na copper foil, ang density ng materyal ay karaniwang nasa parehong antas. Habang bumababa ang kapal na nasa ilalim ng pag-develop, bumababa nang naaayon ang area density, at natural na nagiging mas magaan at mas magaan ang bigat ng baterya, na nakakatugon sa pangangailangan para sa mga baterya ng lithium{16}}ion.
Para sa mga kasalukuyang collector, bilang karagdagan sa kanilang kapal at bigat na nakakaapekto sa mga baterya ng lithium-ion, ang mga katangian sa ibabaw ng kasalukuyang collector ay mayroon ding malaking epekto sa produksyon at pagganap ng baterya. Lalo na para sa kasalukuyang kolektor ng anode, dahil sa mga depekto sa teknolohiya ng paghahanda, ang mga copper foil sa merkado ay higit sa lahat ay isang-panig na magaspang, dobleng-magaspang, at dobleng-mga barayti na magaspang. Ang asymmetric na dalawang-sided na istraktura ay hahantong sa asymmetric contact resistance ng anode coating sa magkabilang panig, sa gayon ay mapipigilan ang pare-parehong paglabas ng anode capacity sa magkabilang panig; kasabay nito, ang kawalaan ng simetrya sa magkabilang panig ay magdudulot din ng hindi pare-parehong lakas ng pagdirikit ng anode coating, na magreresulta sa malubhang hindi balanseng cycle ng pagkarga-ng buhay ng anode coating sa magkabilang panig, na nagpapabilis sa pagkabulok ng kapasidad ng baterya.
Ang cathode formulation ng isang solong cell ay ang pangunahing pangunahing teknolohiya ng cell. Nasa ibaba ang isang halimbawa:
1)LiCoO₂ (10μm): 96.0%.
2)Conductive agent (Carbon ECP): 2.0%.
3)Binder (PVDF 761): 2.0%.
4)Adhesion promoter (NMP): Ang ratio ng timbang ng solid substance ay humigit-kumulang 810:1496.
Mga pag-iingat sa pagbabalangkas ng cathode:
1)Cathode slurry viscosity control sa 6000cP (1cP=1mPa · s) (temperatura 25℃).
2)Ang bigat ng NMP ay dapat na naaangkop na iakma upang matugunan ang kinakailangan sa lagkit.
3) Bigyang-pansin ang impluwensya ng temperatura at halumigmig sa lagkit.
Cathode material lithium cobalt oxide: Cathode active material, lithium ion source, nagbibigay ng lithium source para sa baterya. Non-polar substance, irregular shape, particle size D50 sa pangkalahatan ay 6-8μm, moisture content Mas mababa sa o katumbas ng 0.2%, kadalasang alkaline, pH 10-11.
Cathode material lithium manganese oxide: Non-polar substance, irregular shape, particle size D50 sa pangkalahatan ay 5-7μm, moisture content Mas mababa sa o katumbas ng 0.2%, kadalasang mahina ang alkaline, pH sa paligid ng 8.
Conductive agent: Chain-tulad ng substance, moisture content<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.
Binder (PVDF): Hindi-polar substance, chain-like, molecular weight mula 300000 hanggang 3000000; Bumababa ang molekular na timbang pagkatapos ng pagsipsip ng tubig, na nagreresulta sa mas mahinang pagdirikit. Ginagamit ito upang i-bonding ang lithium cobalt oxide, conductive agent, at aluminum foil o aluminum mesh na magkasamaAdhesion promoter (NMP): Mahina ang polar na likido, ginagamit upang matunaw/mabuo ang PVDF at sabay-sabay na maghalo ng slurry.
Kasalukuyang kolektor (cathode tab): Gawa sa aluminum foil o aluminum strip.
Istraktura ng Anode
Ang istraktura ng cell anode ay binubuo ng graphite material, conductive agent, thickener (CMC), binder (SBR), at kasalukuyang collector (copper foil), tulad ng ipinapakita sa Figure 7-3.
Ang anode formulation ng isang cell ay isa rin sa mga pangunahing pangunahing teknolohiya ng cell, karaniwang tulad ng sumusunod:
1) Anode material (graphite): 94.5%.
2)Conductive agent (Carbon ECP): 1.0% (Ketjenblack).
3)Binder (styrene-butadiene rubber latex, SBR): 2.25%.
4)Pampakapal (carboxymethyl cellulose, CMC): 2.25%.
5) Tubig: Ang ratio ng timbang ng mga solidong sangkap ay 1600:1417.5.
Mga pag-iingat sa pagbabalangkas ng anode:
1) Anode slurry viscosity control sa 5000-6000cP (temperatura 25℃).
2) Ang bigat ng tubig ay kailangang maayos na maisaayos upang matugunan ang kinakailangan sa lagkit.
3) Bigyang-pansin ang impluwensya ng temperatura at halumigmig sa lagkit.
Graphite: Anode aktibong materyal, ang pangunahing sangkap na bumubuo sa anode reaksyon, higit sa lahat nahahati sa dalawang pangunahing kategorya: natural na grapayt at artipisyal na grapayt. Non-polar substance, madaling kontaminado ng non-polar substance, madaling dispersed sa non-polar substance; hindi madaling sumipsip ng tubig, at hindi rin madaling kumalat sa tubig. Ang kontaminadong graphite, pagkatapos na ikalat sa tubig, ay may posibilidad na muling-mag-agglomerate. Ang pangkalahatang laki ng butil D50 ay nasa paligid ng 20μm. Ang mga hugis ng butil ay magkakaiba at karamihan ay hindi regular, higit sa lahat spherical, patumpik-tumpik, mahibla, atbp.
Mga function ng conductive agent:
1) Pagbutihin ang kondaktibiti ng anode sheet at bumawi para sa electronic conductivity ng anode active material.
2) Taasan ang lalim ng reaksyon at rate ng paggamit.
3) Pigilan ang pagbuo ng mga dendrite.
4)Gamitin ang likidong-kakayahang sumisipsip ng mga conductive na materyales upang palakihin ang interface ng reaksyon at bawasan ang polarization (maaaring idagdag o hindi ayon sa pamamahagi ng laki ng graphite particle).
Mga Additives: Bawasan ang mga hindi maibabalik na reaksyon, dagdagan ang lakas ng bonding at slurry lagkit, at maiwasan ang slurry sedimentation.
Thickener/anti-settling agent (CMC): Mataas na molecular compound, madaling natutunaw sa tubig at mga polar solvent.
Isopropanol: Mahinang polar substance; pagkatapos ng karagdagan, maaari itong bawasan ang polarity ng binder solution, mapabuti ang compatibility sa pagitan ng grapayt at binder solution; ay may malakas na epekto ng defoaming; madaling pinapagana ang cross-linking ng binder network at pinapabuti ang lakas ng bonding.
Ethanol: Mahinang polar substance; pagkatapos ng karagdagan, maaari itong bawasan ang polarity ng binder solution, mapabuti ang compatibility sa pagitan ng grapayt at binder solution; ay may malakas na epekto ng defoaming; madaling nag-catalyze ng linear cross-linking ng binder at pinapahusay ang lakas ng bonding (ang mga function ng isopropanol at ethanol ay mahalagang pareho; kapag mass-produce, cost factors ay maaaring isaalang-alang upang piliin kung alin ang idaragdag).
Water{0}}binder (SBR): Pinagsasama ang graphite, conductive agent, additives, at copper foil o copper mesh; linear chain emulsion molecule, lubhang natutunaw sa tubig at polar solvents.
Deionized na tubig (o distilled water): Maaaring baguhin ng diluent, na idinagdag sa naaangkop na dami, ang pagkalikido ng slurry.
Anode tab: Ginawa sa copper foil o copper strip.
