Батарея клеткасы деген эмне?
Клетка структурасы
Жалгыз батарейка, ошондой эле "клетка" деп аталган, батарея системасынын эң кичинекей бирдиги. Ал негизинен 7-1-сүрөттө көрсөтүлгөндөй катоддон (катоддук электрод), аноддон (аноддук электрод), электролиттен (электролит), сепаратордон (сепаратор) жана корпустан (корпус) турат.
Литий{0}}иондук клетканын электрод барагын, негизинен, төрт бөлүктөн турган композиттик материал катары категориялоого болот:
1) литий иондорун интеркалациялоочу же деинтеркалациялоочу активдүү материалдык бөлүкчөлөр; катод бөлүкчөлөрү литий булагын камсыз кылат, ал эми анод бөлүкчөлөрү литий иондорун кабыл алат.
2) өткөргүчтүн жана токтун коллекторунун аралашмасынан пайда болгон өткөргүч фаза (көмүртек гел фазасы); каптоо учурдагы коллектор жана өткөрүүчү агент аркылуу электрондорду өткөрөт.
3)Электролдор менен толтурулган тешикчелер, алар электроддун ичиндеги литий-иондорун ташуу үчүн канал болуп кызмат кылат.
4) Учурдагы коллектор.
Электрохимиялык процесстин жүрүшүндө электроддук каптоо негизинен төмөнкү 4 процессти камтыйт:
1) Электрондук транспорт.
2) иондук транспорт.
3) Электролит/электрод бөлүкчөлөрүнүн интерфейсинде заряд алмашуу, башкача айтканда, электрохимиялык реакция.
4) Литий иондорунун катуу фазадагы диффузиясы. Электрод баракчасынын микроструктурасында бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана бөлүштүрүү литий-ионунун диффузия жолуна жана электрохимиялык реакциянын өзгөчө бетине таасир этет; тешикчелердин өлчөмү жана бөлүштүрүү электролиттин ташуу процессине таасир этет; көзөнөктүүлүк активдүү материалдын өлчөмүнө жана электрохимиялык реакциянын салыштырма бетине таасир этет. Бул микроструктуралык мүнөздөмөлөрдүн баары акыры батареянын иштешине таасир этет.
Катоддун структурасы
Клетканын катоду негизинен LiCoO₂, өткөрүүчү агент, байланыштыргыч (PVDF) жана ток коллектору (PVDF) сыяктуу катоддук материалдардан турат.алюминий фольга), 7-2-сүрөттө көрсөтүлгөндөй.
Литий{0}}иондук батарейкалар үчүн катод ток коллектору көбүнчө алюминий фольга, аноддук ток коллекторужез фольга. Батареянын ичиндеги ток коллекторунун туруктуулугун камсыз кылуу үчүн экөөнүн тең тазалыгы 98% жогору болушу керек. Литий{3}}иондук батарейкалардын катод үчүн алюминий фольгасын жана анод үчүн жез фольгасын колдонуусунун себептери төмөнкү 3 пункт болуп саналат:
1) Жез жана алюминий жакшы электр өткөргүчтүгү, жумшак текстурасы жана баасы төмөн. Литий{2}}иондук батареянын иштөө принциби химиялык энергияны электр энергиясына айландыруучу электрохимиялык түзүлүш. Бул процессте химиялык энергияны электр энергиясына өткөрүү үчүн чөйрө талап кылынат, ал өткөргүч материалды талап кылат. Кадимки материалдардын ичинен металлдар эң жакшы электр өткөрүмдүүлүккө ээ, ал эми металлдардын арасында жез жана алюминий эң сонун өткөргүчтүктү жана жез фольга жана алюминий фольга түрүндө салыштырмалуу төмөн бааны сунуштайт. Литий{6}}иондук батарейкаларда негизинен эки иштетүү ыкмасы бар: ороо жана үйүү. Стектөө менен салыштырганда, орогуч аккумуляторду даярдоо үчүн колдонулган электрод барактарынын ийкемдүүлүккө ээ болушун талап кылат, бул электрод барактары оруу учурунда морт болуп калбасын же сынбасын. Металл материалдардын ичинен жез жана алюминий фольгалары жумшак, салыштырмалуу катуу жез/алюминий фольгалары кымбат, жез жана алюминий фольгалары салыштырмалуу арзан, жез жана алюминий ресурстары дүйнө жүзү боюнча көп.
2) Жез жана алюминий фольгалары да абада салыштырмалуу туруктуу. Алюминий абадагы кычкылтек менен химиялык реакцияга кирип, бетинде тыгыз оксид пленкасын пайда кылып, алюминийдин андан аркы реакциясына жол бербейт. Бул жез/алюминий оксид пленкасы, ошондой эле электролиттеги алюминийге белгилүү бир коргоочу таасир берет. Жездин өзү абада салыштырмалуу туруктуу жана негизинен кургак абада химиялык реакцияларга кабылбайт.
3) Литий{1}}батареялардын катоддук жана аноддук потенциалдары катод үчүн алюминий фольга жана анод үчүн жез фольга колдонуларын аныктайт жана аларды артка кайтаруу мүмкүн эмес. Катоддун потенциалы жогору, ал эми жез фольгасы жогорку потенциалда оңой кычкылданат, ал эми алюминийдин жогорку кычкылдануу потенциалы жана анын беттик катмарында тыгыз оксид пленкасы бар, бул да ички алюминийди жакшы коргоону камсыз кылат.
Металл алюминийинин кристалл торчосунда жез жана алюминийдин өлчөмдөрү Liга окшош жана LiAl сыяктуу Li менен металл аралык кошулмаларды оңой түзө алат. Li жана Al химиялык формула LiAl менен эритме түзө албайт, ошондой эле Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al жана Li₂Al эритме катмарларын түзө алат. Бул эритме катмарлар Li көп өлчөмдө керектейт жана Al түзүмүнө жана морфологиясына зыян келтирет, ошондуктан аны литий-иондук батареялардын аноддук ток коллектору катары колдонууга болбойт; ал эми Cu аккумулятордун заряды-разряды учурунда өтө аз эрийт жана структуралык жана электрохимиялык туруктуулукту сактайт, бул аны литий-батареялар үчүн аноддук ток коллектору катары ылайыктуу кылат. 3,5V боюнча жез фольга үчүн, поляризация агымы олуттуу көбөйө баштайт жана сызыктуу көтөрүлөт, күчөгөн кычкылдануу менен Cu да аккумулятордо эрий баштаганын көрсөтөт; бүткүл поляризация потенциалы диапазонунда алюминий фольгасы үчүн, поляризация агымы кичинекей жана туруктуу, эч кандай ачык коррозия көрүнүштөрү байкалбайт, электрохимиялык туруктуулукту сактайт. Литий-иондук батарейкалардын катоддук потенциал диапазонундагы Alдын эрүү көлөмү өтө аз болгондуктан жана электрохимиялык туруктуулукту сактоого мүмкүн болгондуктан, ал литий-батареялар үчүн катоддук ток коллектору катары ылайыктуу.
Жез/алюминий беттериндеги оксид катмары жарым өткөргүчтөргө кирет жана электрондорду өткөрөт; оксид катмары өтө калың болсо, импеданс чоң; алюминий бетиндеги алюминий кычкыл катмары изолятор болуп саналат жана электр тогун өткөрө албайт, ал эми ал өтө жука болгондуктан, электрон өткөрүү туннелдик эффект аркылуу ишке ашат; оксид катмары калың болсо, жез/алюминий фольгасынын өткөргүчтүгү начар, ал тургай изоляциялайт. Жалпысынан алганда, жез/алюминий фольга бир жагынан мунай, экинчи жагынан коюу кычкыл катмарын жок кылуу үчүн колдонуудан мурун оксид катмарын тазалоо керек. Катоддун потенциалы жогору, ал эми алюминий оксидинин катмары абдан тыгыз, бул учурдагы коллектордун кычкылданышын алдын алат. Жез/никель ж.б. оксид катмарлары салыштырмалуу бош болуп, учурдагы коллекторду оңой тоскоол кылып, батареянын жакшы иштешин камсыз кылат. Ошол эле учурда, литий{5}}батареялардын аноддук потенциалы төмөн жана жез/никель кычкылдануу реакцияларына туш болот, жез/никель бетинде кычкылдануу/жез/де-литийлөө реакциялары, ал эми алюминий жогорку потенциалда LiAl эритмесинде болот.
Учурдагы жыйноочу таза курамын талап кылат. Al курамындагы аралашмалар беттик пленканы азыраак тыгыз кылып, дат басууга алып келет, андан да катуураак, беттик пленканын бузулушу LiAl эритмесинин пайда болушуна алып келет.
Учурдагы жыйноочу таза курамын талап кылат. Al курамындагы аралашмалар беттик пленканын тыгыздыгын азайтып, коррозияга алып келет, андан да жаманы, беттик пленканын бузулушу LiAl эритмесинин пайда болушуна алып келет.
Литий{0}}иондук батарейкалар үчүн катод алюминий фольгасы 16μmден 14μmге, андан кийин 12μmге чейин кыскарган жана азыр 10μm алюминий фольга массалык түрдө чыгарылууда, айрымдары атүгүл 8μm колдонушат; аноддук жез фольгасы үчүн, анын табиятынан жакшы ийкемдүүлүгүнөн улам, анын калыңдыгы мурунку 12мкмден 10мкмге, андан кийин 8мкмге чейин кыскарган жана учурда батарейкалардын көп бөлүгү-6мкм менен массалык түрдө өндүрүлүп жатат, ал эми кээ бир өндүрүүчүлөр 5мкм/4мкм иштеп чыгууда. Литий{14}}иондук батареялар колдонулган жез фольга үчүн жогорку тазалык талаптары болгондуктан, материалдын тыгыздыгы негизинен бирдей деңгээлде. Иштелип жаткан калыңдык азайган сайын, аймактын тыгыздыгы ошого жараша азаят жана батареянын салмагы табигый түрдө жеңил жана жеңил болуп калат, бул литий{16}}батареяларга болгон суроо-талапты канааттандырат.
Учурдагы коллекторлор үчүн литий-иондук батарейкалардын жоондугуна жана салмагына таасир этүүчү-кошумчалай турган болсок, учурдагы коллектордун беттик касиеттери да батареянын өндүрүмдүүлүгүнө жана иштешине олуттуу таасирин тийгизет. Айрыкча аноддук ток коллектору үчүн даярдоо технологиясындагы кемчиликтерден улам базардагы жез фольгалары негизинен бир жактуу орой, эки-каптуу жана эки-каптуу ириңдүү сорттор болуп саналат. Бул асимметриялык эки{6}}структура аноддук каптаманын эки тараптан тең асимметриялык контакттуу каршылыгына алып келет, ошону менен эки тараптын анод сыйымдуулугунун бирдей бошонуусуна жол бербейт; ошол эле учурда эки тараптан тең асимметрия анод каптамасынын ыраатсыз адгезия күчүн пайда кылат, натыйжада эки тараптан тең салмактуу эмес заряд-анод каптамасынын разряд циклинин иштөө мөөнөтү келип чыгат, бул өз кезегинде батареянын кубаттуулугунун бузулушун тездетет.
Бир клетканын катоддук формуласы клетканын негизги негизги технологиясы болуп саналат. Төмөндө бир мисал келтирилген:
1)LiCoO₂ (10мкм): 96,0%.
2) өткөргүч агент (Carbon ECP): 2,0%.
3)Байланыштыруучу (PVDF 761): 2,0%.
4) Адгезия промоутору (NMP): катуу заттардын салмагы катышы болжол менен 810:1496.
Катодду түзүүнүн сактык чаралары:
1) 6000cP (1cP=1mPa · с) (температура 25 градус) боюнча катод шламынын илешкектүүлүгүн көзөмөлдөө.
2) НМПнын салмагы илешкектүүлүк талабын канааттандыруу үчүн тийиштүү түрдө жөнгө салынышы керек.
3) Температуранын жана нымдуулуктун илешкектүүлүккө таасирине өзгөчө көңүл буруңуз.
Катоддук материал литий кобальт оксиди: Катод активдүү материал, литий ион булагы, батарея үчүн литий булагы менен камсыз кылат. Полярдуу эмес зат-, формасы туура эмес, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү D50 жалпысынан 6-8мкм, нымдуулугу 0,2% же ага барабар, көбүнчө щелочтуу, рН 10-11.
Катоддук материал литий марганец оксиди: -полярдуу эмес зат, туура эмес форма, бөлүкчөлөрдүн өлчөмү D50 жалпысынан 5-7мкм, нымдуулугу 0,2% же ага барабар, адатта начар щелочтуу, рН 8ге жакын.
Өткөргүч агент: чынжыр сыяктуу-зат, нымдуулук<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.
Байланыштыргыч (PVDF): -полярдуу эмес зат, чынжырга окшош-, молекулярдык салмагы 300000дон 3000000го чейин; молекулярдык салмагы сууну сиңирүүдөн кийин азаят, натыйжада адгезия начарлайт. Литий кобальт кычкылын, өткөргүч агентти жана алюминий фольгасын же алюминий сеткасын бириктирүү үчүн колдонулат.
Учурдагы коллектор (катод тактасы): алюминий фольгадан же алюминий тилкеден жасалган.
Аноддун структурасы
Клетка анодунун структурасы 7-3-сүрөттө көрсөтүлгөндөй графит материалынан, өткөрүүчү агенттен, коюулоочудан (ЦМК), байланыштыргычтан (СБР) жана ток коллектордон (жез фольга) турат.
Бир клетканын аноддук формуласы да клетканын негизги негизги технологияларынын бири болуп саналат, адатта төмөнкүдөй:
1)Аноддук материал (графит): 94,5%.
2) өткөргүч агент (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3)Байланыштыруучу (стирол-бутадиен каучук латекс, SBR): 2,25%.
4) Коюучу (карбоксиметил целлюлоза, ЖМБ): 2,25%.
5) Суу: Катуу заттардын салмактык катышы 1600:1417,5.
Анодду түзүүнүн сактык чаралары:
1) 5000-6000cP (температура 25 градус) боюнча анод шламынын илешкектүүлүгүн көзөмөлдөө.
2) Суунун салмагы илешкектүүлүк талабын канааттандыруу үчүн тийиштүү түрдө жөнгө салынышы керек.
3) Температуранын жана нымдуулуктун илешкектүүлүккө таасирине өзгөчө көңүл буруңуз.
Графит: Аноддук активдүү материал, анод реакциясын түзүүчү негизги зат, негизинен эки негизги категорияга бөлүнөт: табигый графит жана жасалма графит. полярдык эмес заттар менен оңой булганган-полярдуу эмес зат,-полярдуу эмес заттарда оңой дисперстүү болот; сууну сиңирүү оңой эмес, сууга чачыратуу оңой эмес. Булганган графит сууга чачырагандан кийин кайра агломератка-т. Жалпы бөлүкчөлөрдүн өлчөмү D50 20μm тегерегинде. Бөлүкчөлөрдүн формасы ар түрдүү жана негизинен туура эмес, негизинен тоголок, кабыкча, жипче сымал ж.б.
Өткөрүүчү агенттин функциялары:
1) Анод баракчасынын өткөргүчтүгүн жакшыртуу жана аноддун активдүү материалынын электрондук өткөргүчтүгүн компенсациялоо.
2) Реакциянын тереңдигин жана колдонуу ылдамдыгын жогорулатуу.
3) дендриттер пайда болушун алдын алуу.
4) Реакциянын интерфейсин жогорулатуу жана поляризацияны азайтуу үчүн өткөргүч материалдардын суюктук-сортуу жөндөмдүүлүгүн колдонуңуз (графиттин бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүнө жараша кошсо болот же кошпоңуз).
Кошумчалар: Кайтарылгыс реакцияларды азайтат, бириктирүү күчүн жана шламдын илешкектүүлүгүн жогорулатат жана шламдын чөгүшүн алдын алат.
Коюучу/{0}}тундургуч агент (CMC): Жогорку молекулалуу кошулма, сууда жана полярдык эриткичтерде оңой эрүүчү.
Изопропанол: Алсыз полярдык зат; кошулгандан кийин, ал бириктиргич эритменин полярдуулугун азайтат, графит менен байланыштыруучу эритменин ортосундагы шайкештикти жакшыртат; күчтүү defoaming таасири бар; бириктирүүчү тармактын кайчылаш{0}}байланышын оңой катализдейт жана бириктирүү күчүн жакшыртат.
Этанол: начар полярдык зат; кошулгандан кийин, ал бириктиргич эритменин полярдуулугун азайтат, графит менен байланыштыруучу эритменин ортосундагы шайкештикти жакшыртат; күчтүү defoaming таасири бар; бириктиргичтин сызыктуу кайчылаш-байланышын оңой катализдейт жана туташуунун күчүн жакшыртат (изопропанол менен этанолдун функциялары негизинен бирдей; массалык түрдө өндүрүүдө-кайсысын кошууну тандоо үчүн чыгым факторлору каралышы мүмкүн).
Суу{0}}негизделген бириктиргич (SBR): Графитти, өткөрүүчү агентти, кошумчаларды жана жез фольгасын же жез торду бириктирет; сызыктуу чынжыр эмульсия молекуласы, сууда жана полярдык эриткичтерде абдан эрүүчү.
Деионизацияланган суу (же дистилденген суу): Тийиштүү өлчөмдө кошулган эриткич шламдын суюктугун өзгөртө алат.
Анод тактасы: Жез фольгадан же жез тилкеден жасалган.
