Pangembangan baterei lithium

Asal saka piranti baterei bisa diwiwiti kanthi panemuan botol Leiden. Botol Leiden pisanan ditemokake dening ilmuwan Walanda Pieter van Musschenbroek ing taun 1745. Jar Leyden minangka piranti kapasitor primitif. Iki kasusun saka rong lembaran logam sing dipisahake dening insulator. Batang logam ing ndhuwur digunakake kanggo nyimpen lan ngeculake muatan. Nalika sampeyan ndemek rod Nalika werni logam digunakake, botol Leiden bisa nyimpen utawa mbusak energi listrik internal, lan asas lan preparation iku prasaja. Sapa wae sing kasengsem bisa nggawe dhewe ing omah, nanging fenomena self-discharge luwih abot amarga pandhuane sing gampang. Umume, kabeh listrik bakal kosong sajrone sawetara jam nganti sawetara dina. Nanging, munculé botol Leiden nandhani tahap anyar ing riset listrik.

Ing taun 1790-an, ilmuwan Italia Luigi Galvani nemokake panggunaan kabel seng lan tembaga kanggo nyambungake sikil kodhok lan nemokake yen sikil kodhok bakal kedutan, mula dheweke ngusulake konsep "bioelektrik." Penemuan iki nyebabake ilmuwan Italia Alessandro kedutan. Bantahan Volta, Volta percaya yen kedutan sikil kodhok kasebut asale saka arus listrik sing diasilake logam tinimbang arus listrik ing kodhok kasebut. Kanggo mbantah teori Galvani, Volta ngusulake Volta Stack sing misuwur. Tumpukan voltase kalebu lembaran seng lan tembaga kanthi karton sing direndhem ing banyu asin ing antarane. Iki minangka prototipe baterei kimia sing diusulake.
Persamaan reaksi elektroda sel volta:

elektroda positif: 2H^++2e^-→H_2

elektroda negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Ing taun 1836, ilmuwan Inggris John Frederic Daniell nemokake baterei Daniel kanggo ngatasi masalah gelembung udara ing baterei. Baterei Daniel nduweni wujud utama saka baterei kimia modern. Iku kasusun saka rong bagéan. Sisih positif dicelupake ing larutan tembaga sulfat. Bagian liya saka tembaga yaiku seng dicelupake ing larutan seng sulfat. Baterei Daniel asli diisi larutan tembaga sulfat ing jar tembaga lan dilebokake wadhah silinder keropos keramik ing tengah. Ing wadhah keramik iki, ana rod seng lan seng sulfat minangka elektroda negatif. Ing solusi kasebut, bolongan cilik ing wadhah keramik ngidini rong tombol kanggo ngganti ion. Baterei Daniel modern biasane nggunakake jembatan uyah utawa membran semi-permeabel kanggo entuk efek kasebut. Baterei Daniel digunakake minangka sumber daya kanggo jaringan telegraf nganti baterei garing diganti.

Persamaan reaksi elektroda baterei Daniel:

Elektroda positif: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

elektroda negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Nganti saiki, wangun utama baterei wis ditemtokake, kalebu elektroda positif, elektroda negatif, lan elektrolit. Kanthi basis kasebut, baterei wis ngalami pangembangan kanthi cepet sajrone 100 taun sabanjure. Akeh sistem baterei anyar wis muncul, kalebu ilmuwan Prancis Gaston Planté nemokke baterei timbal-asam ing taun 1856. Baterei asam timbal. kendaraan. Asring digunakake minangka sumber daya serep kanggo sawetara rumah sakit lan stasiun pangkalan. Baterei asam timbal utamane kasusun saka timbal, timbal dioksida, lan larutan asam sulfat, lan voltase bisa nganti 2V. Malah ing jaman modern, baterei timbal-asam durung diilangi amarga teknologi sing wis diwasa, rega murah, lan sistem basis banyu sing luwih aman.

Persamaan reaksi elektroda baterei timbal-asam:

Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O

Elektroda negatif: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-

Baterei nikel-kadmium, sing diciptakake dening ilmuwan Swedia Waldemar Jungner ing taun 1899, luwih akeh digunakake ing piranti elektronik seluler cilik, kayata walkmans awal, amarga kapadhetan energi sing luwih dhuwur tinimbang baterei asam timbal. Padha karo baterei timbal-asam. Baterei nikel-kadmium uga wis akeh digunakake wiwit taun 1990-an, nanging keracunan relatif dhuwur, lan baterei duwe efek memori tartamtu. Pramila kita asring krungu sawetara wong diwasa sing ujar manawa baterei kudu kosong sadurunge diisi ulang lan baterei sampah bakal ngrusak lemah, lan liya-liyane. (Elinga yen baterei saiki banget beracun lan ora kudu dibuwang nang endi wae, nanging baterei lithium saiki ora duwe keuntungan memori, lan over-discharge mbebayani kanggo urip baterei.) Baterai nikel-kadmium luwih ngrusak lingkungan, lan resistance internal bakal ngganti karo suhu, kang bisa nimbulaké karusakan amarga arus gedhe banget nalika ngisi daya. Baterai nikel-hidrogen mboko sithik diilangi watara taun 2005. Nganti saiki, baterei nikel-kadmium arang katon ing pasar.

Persamaan reaksi elektroda baterei nikel-kadmium:

Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2

Elektroda negatif: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-

Tahap baterei logam litium

Ing taun 1960-an, wong pungkasane resmi mlebu ing jaman baterei lithium.

Logam litium dhewe ditemokaké ing taun 1817, lan wong-wong enggal nyadari yèn sifat fisik lan kimia logam litium minangka bahan kanggo batre. Kapadhetan kurang (0.534g 〖cm〗^(-3)), kapasitas gedhe (teoretis nganti 3860mAh g^(-1)), lan potensial kurang (-3.04V dibandhingake elektroda hidrogen standar). Iki meh ngandhani wong aku bahan elektroda negatif saka baterei sing cocog. Nanging, logam lithium dhewe duwe masalah gedhe. Aktif banget, reaksi banget karo banyu, lan nduweni syarat dhuwur ing lingkungan operasi. Mula, nganti suwe, wong-wong padha ora duwe daya.

Ing taun 1913, Lewis lan Keyes ngukur potensial elektroda logam litium. Lan nganakake tes baterei kanthi lithium iodide ing larutan propylamine minangka elektrolit, sanajan gagal.

Ing taun 1958, William Sidney Harris nyebataken ing tesis doktoralipun bilih piyambakipun nglebokake logam litium ing larutan ester organik ingkang beda-beda lan mirsani pambentukan serangkaian lapisan pasif (kalebu logam litium ing asam perklorat). Litium LiClO_4

Fenomena ing solusi PC propylene karbonat, lan solusi iki minangka sistem elektrolit sing penting ing baterei lithium ing mangsa ngarep), lan fenomena transmisi ion spesifik wis diamati, mula sawetara eksperimen elektrodeposisi awal wis ditindakake adhedhasar iki. Eksperimen kasebut kanthi resmi nyebabake pangembangan baterei lithium.

Ing taun 1965, NASA nganakake studi jero babagan fenomena ngisi daya lan mbuwang baterei Li||Cu ing solusi PC lithium perchlorate. Sistem elektrolit liyane, kalebu analisis LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Panliten iki wis narik minat gedhe ing sistem elektrolit organik.

Ing taun 1969, paten nuduhake yen ana wong sing wiwit nyoba komersialisasi baterei solusi organik nggunakake logam lithium, sodium, lan kalium.

Ing taun 1970, Panasonic Corporation Jepang nemokaké baterei Li‖CF_x┤, ing ngendi rasio x umume 0.5-1. CF_x minangka fluorocarbon. Senajan gas fluorine banget beracun, fluorocarbon dhewe minangka bubuk non-beracun putih. Munculé baterei Li‖CF_x ┤ bisa diarani minangka baterei lithium komersial nyata pisanan. Baterei Li‖CF_x ┤ minangka baterei utami. Nanging, kapasitase ageng, kapasitas teoritis yaiku 865mAh 〖Kg〗^(-1), lan voltase discharge stabil banget ing jarak sing dawa. Mula, kekuwatane stabil lan fenomena self-discharge cilik. Nanging kinerja tingkat abysmal lan ora bisa dikenani biaya. Mulane, umume digabungake karo mangan dioksida kanggo nggawe baterei Li‖CF_x ┤-MnO_2, sing digunakake minangka baterei internal kanggo sawetara sensor cilik, jam, lan liya-liyane, lan durung diilangi.

Elektroda positif: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF

Elektroda negatif: Li→〖Li〗^++e^-

Ing taun 1975, Sanyo Corporation Jepang nemokake baterei Li‖MnO_2 ┤, sing pisanan digunakake ing kalkulator solar sing bisa diisi ulang. Iki bisa dianggep minangka baterei lithium sing bisa diisi ulang pisanan. Sanajan produk iki sukses banget ing Jepang nalika iku, wong ora duwe pangerten sing jero babagan materi kasebut lan ora ngerti lithium lan mangan dioksida. Alasan apa sing ana ing mburi reaksi kasebut?

Ing wektu sing padha, Amerika nggoleki baterei sing bisa digunakake maneh, sing saiki diarani baterei sekunder.

Ing taun 1972, MBArmand (jeneng sawetara ilmuwan ora diterjemahake ing wiwitan) ngusulake ing kertas konferensi M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (ing ngendi M minangka logam alkali) lan bahan liyane kanthi struktur biru Prusia. , Lan sinau fenomena interkalasi ion sawijining. Lan ing taun 1973, J. Broadhead lan liyane saka Bell Labs nyinaoni fenomena interkalasi atom belerang lan yodium ing dichalcogenides logam. Pasinaon awal babagan fenomena interkalasi ion iki minangka tenaga pendorong paling penting kanggo kemajuan bertahap baterei lithium. Panliten asline akurat amarga panliten kasebut yen baterei lithium-ion mengko bisa.

Ing taun 1975, Martin B. Dines saka Exxon (pendahulu Exxon Mobil) nganakake petungan lan eksperimen awal babagan interkalasi antara seri dichalcogenides logam transisi lan logam alkali lan ing taun sing padha, Exxon minangka jeneng liya Ilmuwan MS Whittingham nerbitake paten. ing Li‖TiS_2 ┤ blumbang. Lan ing taun 1977, Exoon ngiklanake baterei adhedhasar Li-Al‖TiS_2┤, ing ngendi paduan aluminium lithium bisa ningkatake safety baterei (sanajan isih ana risiko sing luwih signifikan). Sawisé iku, sistem baterei kuwi wis sukses digunakake dening Eveready ing Amerika Serikat. Komersialisasi Perusahaan Baterai lan Perusahaan Grace. Baterei Li‖TiS_2 ┤ bisa dadi baterei litium sekunder pisanan ing pangertèn sing bener, lan uga minangka sistem baterei paling monjo ing wektu iku. Ing wektu iku, Kapadhetan energi kira-kira 2-3 kaping saka baterei timbal-asam.

Elektroda positif: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2

Elektroda negatif: Li→〖Li〗^++e^-

Ing wektu sing padha, ilmuwan Kanada MA Py nemokke baterei Li‖MoS_2┤ ing taun 1983, sing bisa nduweni kapadhetan energi 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) ing 1/3C, sing padha karo Li‖TiS_2┤ baterei. Adhedhasar iki, ing taun 1987, perusahaan Kanada Moli Energy ngluncurake baterei lithium sing dikomersialake sacara ekstensif, sing akeh digoleki ing saindenging jagad. Iki mesthine minangka prastawa sing penting ing sejarah, nanging ironi kasebut uga nyebabake kemunduran Moli sakwise. Banjur ing musim semi taun 1989, Moli Company ngluncurake produk baterei Li‖MoS_2┤ generasi kapindho. Ing pungkasan musim semi 1989, produk baterei Li‖MoS_2┤ generasi pertama Moli njeblug lan nyebabake gupuh gedhe. Ing mangsa panas ing taun sing padha, kabeh produk dieling-eling, lan para korban diwenehi ganti rugi. Ing pungkasan taun sing padha, Moli Energy ngumumake bangkrut lan diakuisisi dening NEC Jepang ing musim semi 1990. Perlu dicritakake yen dikabarake yen Jeff Dahn, ilmuwan Kanada nalika iku, mimpin proyek baterei ing Moli. Energi lan mundur amarga oposisi kanggo terus daftar baterei Li‖MoS_2 ┤.

Elektroda positif: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2

Elektroda negatif: Li→〖Li〗^++e^-

Nganti saiki, baterei lithium metal wis mboko sithik ninggalke masyarakat. Kita bisa ndeleng manawa sajrone periode saka 1970 nganti 1980, riset ilmuwan babagan baterei lithium utamane fokus ing bahan katoda. Tujuan pungkasan tansah fokus ing dichalcogenides logam transisi. Amarga struktur dilapisi (dichalcogenides logam transisi saiki akeh ditliti minangka materi loro-dimensi), lapisan lan Ana cukup longkangan antarane lapisan kanggo nampung selipan ion lithium. Ing wektu iku, ana banget sethitik riset ing bahan anoda sak periode iki. Senajan sawetara pasinaon wis fokus ing alloying saka logam lithium kanggo nambah stabilitas, lithium logam dhewe banget boten stabil lan mbebayani. Senajan bledosan baterei Moli iku acara sing cingak donya, wis akeh Kasus bledosan baterei lithium logam.

Kajaba iku, wong ora ngerti sababe bledosan baterei lithium kanthi apik. Kajaba iku, logam lithium nate dianggep minangka bahan elektroda negatif sing ora bisa diganti amarga sifate sing apik. Sawise bledosan baterei Moli, wong nampa baterei lithium metal mudhun, lan baterei lithium mlebu ing wektu peteng.

Kanggo duwe baterei sing luwih aman, wong kudu miwiti nganggo bahan elektroda sing mbebayani. Isih, ana sawetara masalah ing kene: potensial logam lithium cethek, lan panggunaan elektroda negatif senyawa liyane bakal nambah potensial elektroda negatif, lan kanthi cara iki, baterei lithium Bentenane potensial sakabehe bakal suda, sing bakal nyuda Kapadhetan energi badai. Mulane, para ilmuwan kudu nemokake bahan katoda voltase dhuwur sing cocog. Ing wektu sing padha, elektrolit baterei kudu cocog karo voltase positif lan negatif lan stabilitas siklus. Ing wektu sing padha, konduktivitas elektrolit lan tahan panas luwih apik. Serangkaian pitakonan iki nggumunake para ilmuwan nganti suwe kanggo nemokake jawaban sing luwih marem.

Masalah pisanan sing bisa ditindakake para ilmuwan yaiku nemokake bahan elektroda sing aman lan mbebayani sing bisa ngganti logam litium. Lithium logam dhewe wis kakehan kegiatan kimia, lan seri saka masalah wutah dendrite wis banget atos ing lingkungan nggunakake lan kahanan, lan iku ora aman. Grafit saiki dadi awak utama elektroda negatif saka baterei lithium-ion, lan aplikasi ing baterei lithium wis diteliti ing awal taun 1976. Ing taun 1976, Besenhard, JO wis nganakake studi sing luwih rinci babagan sintesis elektrokimia LiC_R. Nanging, sanajan grafit nduweni sifat sing apik banget (konduktivitas dhuwur, kapasitas dhuwur, potensial kurang, inertness, lan liya-liyane), ing wektu kasebut, elektrolit sing digunakake ing baterei lithium umume minangka solusi PC LiClO_4 sing kasebut ing ndhuwur. Grafit duwe masalah sing signifikan. Yen ora ana proteksi, molekul PC elektrolit uga bakal mlebu ing struktur grafit kanthi interkalasi lithium-ion, sing nyebabake nyuda kinerja siklus. Mula, grafit ora disenengi para ilmuwan nalika iku.

Kanggo materi katoda, sawise riset tahap baterei logam lithium, para ilmuwan nemokake yen materi anoda lithiation dhewe uga minangka bahan panyimpenan lithium kanthi reversibility sing apik, kayata LiTiS_2, 〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x). =1,2) lan sateruse, lan adhedhasar iki, 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 lan bahan liyane wis dikembangake. Lan para ilmuwan mboko sithik dadi akrab karo macem-macem saluran ion 1-dimensi (1D), interkalasi ion berlapis 2-dimensi (2D), lan struktur jaringan transmisi ion 3-dimensi.

Panaliten paling misuwur Profesor John B. Goodenough babagan LiCoO_2 (LCO) uga kedadeyan ing wektu iki. Ing taun 1979, Goodenougd et al. diilhami dening artikel babagan struktur NaCoO_2 ing 1973 lan nemokake LCO lan nerbitake artikel paten. LCO nduweni struktur interkalasi berlapis sing padha karo disulfida logam transisi, ing ngendi ion litium bisa dilebokake lan diekstrak kanthi reversibel. Yen ion lithium rampung diekstrak, struktur CoO_2 sing cedhak bakal dibentuk, lan bisa dilebokake maneh karo ion lithium kanggo lithium (Mesthi, baterei nyata ora bakal ngidini ion lithium diekstrak kabeh, sing bakal nyebabake kapasitas bosok kanthi cepet). Ing taun 1986, Akira Yoshino, sing isih kerja ing Asahi Kasei Corporation ing Jepang, nggabungake telung solusi PC LCO, coke, lan LiClO_4 kanggo pisanan, dadi baterei sekunder lithium-ion modern pisanan lan dadi lithium saiki. baterei. Sony cepet ngerteni paten LCO wong tuwa sing "cukup apik" lan entuk wewenang kanggo nggunakake. Ing taun 1991, komersialisasi baterei lithium-ion LCO. Konsep baterei lithium-ion uga muncul ing wektu iki, lan ide kasebut uga terus nganti saiki. (Wigati dicathet yen baterei lithium-ion generasi pisanan Sony lan Akira Yoshino uga nggunakake karbon keras minangka elektroda negatif tinimbang grafit, lan alasane yaiku PC ing ndhuwur duwe interkalasi ing grafit)

Elektroda positif: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6

Elektroda negatif: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-

Ing sisih liya, ing taun 1978, Armand, M. ngusulake panggunaan polietilen glikol (PEO) minangka elektrolit polimer padhet kanggo ngatasi masalah ing ndhuwur yen anoda grafit gampang dilebokake ing molekul PC pelarut (elektrolit arus utama ing wektu kasebut isih. nggunakake PC, solusi campuran DEC), kang sijine grafit menyang sistem baterei lithium kanggo pisanan, lan ngajokaken konsep baterei goyang-kursi (rocking-kursi) ing taun sabanjuré. Konsep sing kaya ngono terus nganti saiki. Sistem elektrolit arus utama saiki, kayata ED/DEC, EC/DMC, lan sapiturute, mung alon-alon muncul ing taun 1990-an lan wis digunakake wiwit saiki.

Ing wektu sing padha, ilmuwan uga njelajah seri baterei: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ baterei, Li‖V〖SE〗_2 ┤ baterei, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 baterei, Li‖CuO,┤ Li ‖I_2 ┤Baterei, lsp., amarga saiki regane kurang, lan ora akeh jinis riset, mula aku ora bakal ngenalake kanthi rinci.

• Li-ion baterei panggung

Era pangembangan baterei lithium-ion sawise taun 1991 yaiku jaman saiki. Ing kene aku ora bakal ngringkes proses pangembangan kanthi rinci nanging kanthi ringkes ngenalake sistem kimia sawetara baterei lithium-ion.

Pambuka kanggo sistem baterei lithium-ion saiki, iki bagean sabanjure.