Литий-ионный аккумулятор начинает мчаться изо всех сил, приближаясь к аккумулятору

В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрел батарею Вольта — первую батарею в истории человечества. Первая батарея была изготовлена ​​из листов цинка (анод) и меди (катод) и бумаги, пропитанной соленой водой (электролит), что продемонстрировало искусственную возможность получения электричества.

С тех пор аккумуляторы как устройство, способное обеспечивать непрерывный и стабильный ток, прошли более 200 лет развития и продолжают удовлетворять потребности людей в гибком использовании электроэнергии.

В последние годы, в условиях огромного спроса на возобновляемую энергию и растущей обеспокоенности по поводу загрязнения окружающей среды, вторичные батареи (или батареи), которые могут преобразовывать другие формы энергии в электрическую энергию и хранить ее в виде химической энергии, продолжают вносить изменения в энергетику. система.

Развитие литиевых батарей показывает прогресс общества с другой стороны. Фактически, быстрое развитие мобильных телефонов, компьютеров, фотоаппаратов и электромобилей основано на зрелости технологии литиевых батарей.

Чэнь Гэн. Приближается рождение и тревога по поводу литиевой батареи.

Рождение литиевой батареи

Батарея имеет положительные и отрицательные полюса. Положительный полюс, также известный как катод, обычно изготавливается из более стабильных материалов, а отрицательный полюс, также известный как анод, обычно изготавливается из «высокоактивных» металлических материалов. Положительный и отрицательный полюса разделены электролитом и сохраняются в виде химической энергии.

Химическая реакция между двумя полюсами приводит к образованию ионов и электронов. Эти ионы и электроны движутся внутри батареи, заставляя электроны двигаться наружу, образуя цикл и генерируя электричество.

В 1970-х годах нефтяной кризис в Соединенных Штатах в сочетании с новым спросом на электроэнергию в военной, авиационной, медицинской и других областях стимулировал поиск аккумуляторных батарей для хранения возобновляемой чистой энергии.

Из всех металлов литий имеет очень низкий удельный вес и электродный потенциал. Другими словами, система литиевых батарей теоретически может достичь максимальной плотности энергии, поэтому литий является естественным выбором разработчиков батарей.

Однако литий обладает высокой реакционной способностью и может гореть и взрываться при контакте с водой или воздухом. Таким образом, укрощение лития стало ключом к разработке аккумуляторов. Кроме того, литий легко реагирует с водой при комнатной температуре. Если в аккумуляторных системах будет использоваться металлический литий, необходимо использовать неводные электролиты.

В 1958 году Харрис предложил использовать в качестве электролита металлических батарей органический электролит. В 1962 году Lockheed Mission и SpaceCo. Чилтон-младший из армии США И Кук выдвинул идею «литиевой неводной электролитной системы».

Чилтон и Кук разработали новый тип батареи, в которой в качестве катода используется металлический литий, в качестве катода — галогениды Ag, Cu, Ni, а в качестве электролита — соль металла с низкой температурой плавления lic1-AlCl3, растворенная в пропиленкарбонате. Хотя проблема с батареей заставляет ее оставаться в рамках концепции, а не коммерческой осуществимости, работа Чилтона и Кука положила начало исследованиям литиевых батарей.

В 1970 году японская компания Panasonic Electric Co. и военные США практически одновременно независимо синтезировали новый катодный материал — фторуглерод. Кристаллический фторид углерода с молекулярной экспрессией (CFx) N (0,5 ≤ x ≤ 1) был успешно получен компанией Panasonic Electric Co., Ltd. и использован в качестве анода литиевой батареи. Изобретение фторид литиевой батареи является важным шагом в истории развития литиевых батарей. Впервые в конструкции литиевой батареи используется «встроенное соединение».

Однако для реализации обратимого заряда и разряда литиевой батареи ключевым моментом является обратимость химической реакции. В то время в большинстве неперезаряжаемых батарей использовались литиевые аноды и органические электролиты. Чтобы реализовать перезаряжаемые батареи, ученые начали изучать обратимое внедрение ионов лития в положительный электрод из слоистого сульфида переходного металла.

Стэнли Уиттингем из ExxonMobil обнаружил, что химическую реакцию интеркаляции можно измерить, используя в качестве материала катода слоистый TiS2, а продуктом разряда является LiTiS2.

В 1976 году батарея, разработанная Уиттингемом, достигла хорошей начальной эффективности. Однако после многократной зарядки и разрядки в аккумуляторе образовались литиевые дендриты. Дендриты росли от отрицательного полюса к положительному, образуя короткое замыкание, которое создавало опасность воспламенения электролита и в конечном итоге вышло из строя.

В 1989 году из-за пожара, связанного с литий-молибденовыми вторичными батареями, большинство компаний, за исключением нескольких, отказались от разработки литий-металлических вторичных батарей. Разработка литий-металлических аккумуляторных батарей была практически остановлена, поскольку проблема безопасности не могла быть решена.

Из-за плохого эффекта различных модификаций исследования литий-металлических аккумуляторных батарей застопорились. Наконец, исследователи выбрали радикальное решение: батарею-качалку со встроенными соединениями в качестве положительного и отрицательного полюсов литий-металлических вторичных батарей.

В 1980-х годах Гудноу изучал структуру слоистых катодных материалов из кобалата лития и оксида лития-никеля в Оксфордском университете, Англия. Наконец, исследователи поняли, что более половины лития можно обратимо удалить из материала катода. Этот результат в конечном итоге привел к рождению The.

В 1991 году компания SONY выпустила первую коммерческую литиевую батарею (анод - графит, катод - соединение лития, электрод - жидкая литиевая соль, растворенная в органическом растворителе). Благодаря характеристикам высокой плотности энергии и различным составам, которые можно адаптировать к различным условиям использования, литиевые батареи коммерциализированы и широко используются на рынке.