Cossa xe ła cełuła deła bataria?
strutura deła cełuła
Na bataria singoła, conosùa anca come "cełuła", ła xe l'unità pì picoła de un sistema de bataria. El xe fato soratuto da catodo (ełetrodo catodo), anodo (eletrodo anodo), ełetrołito (eletrołito), separatore (separatore) e caso (caso), come mostrà in Figura 7-1.
El fojo de eletrodo de na cełuła a ioni de litio el pol esar categorizà come materiałe conposto, fato soratuto da quatro parti:
1)particele de materiale attivo che intercalano o deintercalano ioni litio; łe particełe de catodo łe fornise ła fonte de litio, mentre łe particełe de anodo łe aceta ioni de litio.
2)La fase conduttiva (fase gel de carbonio) formata da la mistura de agente conduttivo e raccoltore de corente, con el legante che serve una funzione de legame; el revestimento el conduxe i ełetroni atraverso el cołetor de corente e el agente condutivo.
3) Pori pieni de eletrołito, che i serve da canałi pa el trasporto de ioni de litio rento ła foja de eletrodo.
4)Colesionador corente.
Durante el proceso eletrochimico, el revestimento dei eletrodi el coinvolge soratuto i seguenti 4 procesi:
1)Trasporto de eletroni.
2)Tsporto de ioni.
3)Scambio de carica a l'interface eletrolito/particela eletrodo, cioè la reazione eletrochimica.
4)Difusion de ioni de litio dentro de la fase solida. Inte ła microstrutura del fojo de eletrodo, ła dimension e ła distribusion dełe particełe łe influensa el percorso de difuxion dei ioni de litio e ła superfisie spesifega deła reasion eletrochimica; ła grandesa e ła distribusion dei pori łe influensa el proceso de trasporto de l’eletròlito; ła porosità ła ga efeto suła quantità de materiałe ativo e suła superfisie spesifega deła reasion eletrochimica. Tute ste carateristiche microstruturałi łe influensa ła prestasion deła bataria.
strutura del catodo
El catodo deła cełuła el xe fato soratuto de materiałi catodici come LiCoO2, agente condutivo, łigante (PVDF) e cołetor de corente (carta de aluminio), come mostrà in Figura 7-2.
Pa łe batèrie a ioni de litio, el cołetor de corente catodico el xe de sołito ła carta de aluminio e el cołetor de corente anodico el xefoglia de rame. Pa garantir ła stabiłità del cołetor de corente drento ła bataria, ła puresa de tuti e do ła ga da esar sora el 98%. I motivi par cui łe batèrie a ioni de litio łe dopara ła carta de aluminio pa el catodo e ła carta de rame pa l’anodo i xe i seguenti 3 ponti:
1) El rame e l’aluminio i ga na bona condutività ełètrica, na strutura morbida e un presso baso. El prinsipio de funsionamento de na bataria a ioni de litio- el xe un dispositivo eletrochimego che el converte l'energia chimica in energia ełètrica. In sto procèso, ghe vol un mexo pa trasferìr l’energia chimica in energia ełètrica, che ła ga bisogno de un materiałe condutivo. Tra i materiałi comuni, i metałi i ga ła mèjo condutività ełètrica, e tra i metałi, el rame e l’ałuminio i ofre sia na condutività ecełente che un presso rełativamente baso soto forma de carta de rame e carta de aluminio. Inte łe batèrie a ioni de litio, ghe xe soratuto do metodi de elaborasion: inrołamento e impilamento. Rispetto a l’impilamento, l’avvolgimento el ga bisogno che i foji de eletrodi doparài pa preparar ła bataria i gabia na serta flesibiłità pa assicurarse che i foji de eletrodi no i deventa frajiłi o no i se rompe durante l’involucro. Tra i materiałi metałi, i rame e i aluminio i xe morbidi, i rame/aluminio rełativamente duri i xe costosi, i rame e i aluminio i xe rełativamente economici, e łe risorse de rame e aluminio łe xe abondanti in tuto el mondo.
2) Łe stamine de rame e de aluminio łe xe anca rełativamente stabiłi in aria. L’aluminio el reajise facilmente chimicamente co l’osìgeno inte l’aria pa formar un film de òsido denso suła superfisie, evitando ulteriori reasion de l’aluminio. Sto pełicoło de òsido de rame/ałuminio el dà anca un serto efeto protetivo su l’ałuminio inte l’eletròłito. El rame steso el xe rełativamente stabiłe in aria e in sostansa no el subise reasion chimiche in aria seca.
3)I potensiałi catodi e anodi dełe batèrie a ioni de litio i determina che pa el catodo vien doparà ła carta de aluminio e ła carta de rame pa l’anodo, e no i pol esar invertii. El potensiałe del catodo el xe alto, e ła carta de rame ła se osida fasilmente a un potensiałe alto, mentre l’aluminio el ga un alto potensiałe de ossidasion e un film de ossido denso sul so strato superfisiałe, che el dà anca na bona protesion pa l’aluminio interno.
Inte ła reticola cristałica de l’aluminio metałico, el rame e l’aluminio i ga dimension simiłi a Li e i pol formar facilmente conposti intermetałici co Li come el LiAl. Li e Al no soło i pol formar ła lega co ła formuła chimica LiAl, ma i pol anca formar strati de lega Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al e Li₂Al. Sti strati de lega i consuma na gran quantità de Li e i daneja ła strutura e ła morfołogia de l’Al steso, quindi no’l pol esar doparà come cołetor de corente anodico dełe baterie al litio-; mentre el Cu el subise poca disołusion durante ła scarica deła bataria e el mantien ła stabiłità struturałe e eletrochimica, rendendoło bon come cołetor de corente anodico pa łe batarie a ioni de litio. Pa ła carta de rame a 3,5V, ła corente de połarixasion ła scominsia a crésar in modo significativo e ła crése in modo lineare, co l’osidasion intensificada, indicando che anca el Cu el scominsia a desfarse inte ła bataria; mentre pa ła carta de aluminio in tuta ła gama de potensiałe de połarixasion, ła corente de połarixasion ła xe picoła e stabiłe, sensa evidenti fenomeni de coroxion oservài, mantegnéndo ła stabiłità eletrochimica. Sicome ła quantità de disołusion de Al inte ła gama de potensiałe catodico dełe baterie a ioni de litio ła xe estremamente picoła e ła stabiłità eletrochimica ła pol esar mantegnùa, ła xe bona come cołetor de corente catodega pa łe baterie a ioni de litio.
El strato de ossido sułe superfisi de rame/aluminio el fa parte dei semicondutori e el conduxe i ełetroni; se el strato de ossido el xe masa spesso, l’inpedensa ła xe granda; mentre el strato de òsido de aluminio suła superfisie de aluminio el xe un ixołante e no’l pol condur l’ełetrisità, ma parché el xe tanto sotiłe, ła condusion dei ełetroni ła vien otegnùa co l’efèto de ła tunełasion; se el strato de ossido el xe spesso, ła condutività del rame/fojo de aluminio ła xe scarsa o anca isołante. De sołito, ła carta de rame/aluminio ła ga da esar netà dal strato de òsido prima de dopararlo pa cavar l’ojo da na parte e i strati de òsido spessi da st’altra. El potensiałe del catodo el xe alto, e el strato de òsido de aluminio el xe tanto denso, el che pol prevegnir l’osidasion del cołetor de corente. I strati de òsido de rame/nichel, ecc. i xe rełativamente larghi, blocando facilmente el cołetor de corente e dando na mèjo prestasion deła bataria. Al steso tenpo, el potensiałe anodico dełe baterie a ioni de litio- el xe baso, e el rame/nichel el subise reasion de osidasion, co reasion de osidasion/rame/de-litiasion che łe se verifega suła superfisie rame/nichel, mentre l’aluminio el subise ła lega de LiAl a un alto potensiałe.
El cołesionador atuałe el ga bisogno de na conpoxision pura. Łe impurità in Al łe rendarà el film de superfisie manco denso e łe farà coroxion, e anca pi grave, ła distrusion del film de superfisie ła porta a ła formasion de ła lega de LiAl.
El cołesionador atuałe el ga bisogno de na conpoxision pura. Łe impurità in Al łe farà sì che el film de superfisie el sie manco denso, portando a ła coroxion, e anca pezo, ła distrusion del film de superfisie ła porta a ła formasion de na lega de LiAl.
Pa łe batèrie a ioni de litio, ła carta de aluminio catodico ła xe stà sbasà da 16μm a 14μm, dopo a 12μm, e deso ła carta de aluminio de 10μm ła xe xà in produsion de masa, co alcune che łe dopara anca 8μm; pa ła carta de rame de l’anodo, par via deła so flesibiłità intrinsecamente mèjo, el so spesor el xe stà sbasà dai 12μm a 10μm, po’ a 8μm, e deso na gran parte dełe baterie łe vien prodote in masa co 6μm, mentre serti produtori i xe drìo sviłupar 5μm/4μm che i xe anca potensiałi utiłixàbiłi. Sicome łe batèrie a ioni de litio łe ga un alto requixito de puresa pa ła carta de rame doparà, ła densità del materiałe ła xe praticamente al steso liveło. Co el spesor in sviłupo el sbasa, ła densità areałe ła sbasa de conseguensa, e el peso deła bataria el deventa senpre pì łievro, el che el sodisfa ła domanda de pile al litio-.
Pa i cołetori de corente, in pì del so spesor e del so peso che influensa łe baterie al litio-, łe proprietà deła superfisie del cołetor de corente łe ga anca un inpato inportante suła produsion e łe prestasion dełe batarie. Soratuto pa el cołetor de corente anodico, par via de difetti neła tecnołogia de preparasion, łe foglie de rame in comercio łe xe soratuto varietà sgrosà a un lato soło, a dopi- lati sgrosà e a dopi - sgrosà. Sta strutura asimetrica a do-lati ła portarà a na resistensa asimetrica al contato del revestimento de l’anodo su entranbi i lai, evitando cusì el rilascio uniforme deła capasità de l’anodo su entranbi i lai; al steso tenpo, l’asimetria su tuti e do i lai ła causarà anca na forsa de adexion incoerente del revestimento de l’anodo, co el risultato de na vita del ciclo de scarico de carga-severamente sbałansià del revestimento de l’anodo su entranbi i lai, che a so volta el cełera el decadimento deła capasità deła bataria.
Ła formułasion catodica de na singoła cełuła ła xe ła tecnołogia ciave deła cełuła. Qua soto ghe xe un exénpio:
1)LiCoO2 (10μm): 96,0%.
2) Agente condutivo (Carbono ECP): 2,0%.
3)Legante (PVDF 761): 2,0%.
4)Promotore de adesion (NMP): El raporto de peso dełe sostanse sołide el xe de 810:1496.
Precausion pa ła formułasion del catodo:
1)Controło deła viscosità deła pasta de catodico a 6000cP (1cP=1mPa · s) (tenperadura 25 gradi).
2)El peso de NMP el ga da esar regołà in modo adato pa sodisfare el requisito de viscosità.
3)Parta particołare atension a l’influensa deła tenperadura e de l’umidità suła viscosità.
Material catodico oxido cobalto de litio: Material attivo catodico, fonte de ioni de litio, fornise fonte de litio pa ła bataria. Sostanza non-połare, forma iregołare, dimension dełe particełe D50 in generałe 6-8μm, contegnùo de umidità Manco o conpagno al 0,2%, de sołito alcalino, pH 10-11.
Materiale catodico òsido de manganese de litio: sostansa non-połare, forma iregołare, dimension dełe particełe D50 in generałe 5-7μm, contegnùo de umidità Manco o conpagno al 0,2%, de sołito debołemente alcalino, pH intorno a 8.
Agente condutivo: sostansa simiłe a ła caéna, contegnùo de umidità<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.
Ligante (PVDF): sostansa non-połare, simiłe a na caéna-, de peso mołecołare che va da 300000 a 3000000; el peso mołecołare el sbasa dopo l’assorbimento de l’acua, co un adexion pì scarsa. El vien doparà pa łigar l’ossido de cobalto de litio, l’axente condutivo, e ła carta de aluminio o ła rete de aluminio insieme al promotore de adexion (NMP): liquido debołemente połare, doparà pa desfar/gonfiare el PVDF e pa diłuire ła pasta.
Colettore de corrente (linguetta catodica): Fatto di carta de aluminio o striscia de aluminio.
strutura de anodo
Ła strutura de l’anodo deła cełuła ła xe fata de materiałe grafite, agente condutivo, ispessinte (CMC), łigante (SBR) e cołetor de corente (foglia de rame), come mostrà in Figura 7-3.
Ła formułasion de anodi de na singoła cełuła ła xe anca una dełe tecnołogie ciave deła cełuła, de sołito come segue:
1)Material del anodo (grafito): 94,5%.
2) Agente conduttivo (Carbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3)Legante (stiren-butadiene latex de goma, SBR): 2,25%.
4)Ispessinte (carboximetilcelulosa, CMC): 2,25%.
5)Aqua: el raporto de peso dełe sostanse sołide el xe 1600:1417,5.
Precausion pa ła formułasion de anodi:
1) Controlo deła viscosità deła pasta de anodo a 5000-6000cP (tenperadura 25 gradi).
2) El peso de l’acua el ga da esar regołà in modo adato pa sodisfare el requesito de viscosità.
3)Parta particołare atension a l’influensa deła tenperadura e de l’umidità suła viscosità.
Grafite: materiałe ativo de l’anodo, ła sostansa prinsipałe che ła costituise ła reasion de l’anodo, divixa soratuto in do categorie prinsipałi: grafite naturałe e grafite artifisiałe. Sostanza non-połare, facilmente contaminà da sostanse non-połari, facilmente dispersa in sostanse non-połari; no xe fasiłe da assorbir l’acua, gnanca fasiłe da sparpagnare inte l’acua. Ła grafite contaminà, dopo esar stà dispersa in aqua, ła tende a ri-agglomerarse. Ła dimension generałe deła particeła D50 ła xe de 20μm. Łe forme dełe particełe łe xe diverse e soratuto iregołari, soratuto sferiche, sfociae, fibrose, ecc.
Funsion de l’axente condutivo:
1)Mejorar la condutività del fojo del anodo e compensar la condutività elettronica del material ativo del anodo.
2) Aumentar ła profondità deła reasion e ła vełocità de utiłixo.
3)Impedir la generazione de dendriti.
4) Doparar ła capasità de assorbimento del liquido dei materiałi condutivi pa aumentar l’interfacia de reasion e sbasàr ła połarixasion (se pol zontar o no in baxe a ła distribusion deła dimension dełe particełe de grafite).
Aditivi: sbasa łe reasion ireversibiłi, aumenta ła forsa deła legadura e ła viscosità deła pasta, e prevegni ła sedimentasion deła pasta.
Ispessinte/anti-agente sedimentante (CMC): conposto alto mołecołare, fasilmente sołubiłe in aqua e solventi połari.
Isopropanol: sostansa poco połare; dopo l’agionta, el pol sbasàr ła połarità deła sołusion de łigante, jutar ła conpatibiłità tra grafite e sołusion de łigante; el ga un forte efeto de schiuma; el catałisa fasilmente el cołegamento incroxà - deła rete de łigante e el migliora ła forsa deła legadura.
Etanol: sostansa poco połare; dopo l’agionta, el pol sbasàr ła połarità deła sołusion de łigante, jutar ła conpatibiłità tra grafite e sołusion de łigante; el ga un forte efeto de schiuma; el catałixa fasilmente el rełasion lineare incroxà del łigante e el migliora ła forsa de łigamento (łe funsión de l’isopropanol e de l’etanoło łe xe esensialmente łe stese; co se produxe masa, se pol tegner conto dei fatori de costo pa sièłier cuałe zontar).
Ligante a baxe de aqua (SBR): el liga el grafite, l’agente condutivo, i aditivi e ła carta de rame o ła rete de rame; mołecoła de emulsion a caéna lineare, estremamente sołubiłe in aqua e solventi połari.
Aqua dejonizà (o aqua distià): El diluente, zontà in quantità giusta, el pol canbiar ła fluidità deła pasta.
Tab de l’anodo: Fato de carta da rame o striscia de rame.
