¿Qué es la celda de batería?
Estructura celular
Una sola batería, también conocida como "celda", es la unidad más pequeña de un sistema de batería. Se compone principalmente de cátodo (cátodo electrodo), ánodo (ánodo electrodo), electrolito (electrolito), separador (separador) y caja (caja), como se muestra en la Figura 7-1.
La lámina de electrodo de una celda de iones de litio-se puede clasificar como un material compuesto y consta principalmente de cuatro partes:
1) Partículas de material activo que intercalan o desintercalan iones de litio; Las partículas del cátodo proporcionan la fuente de litio, mientras que las partículas del ánodo aceptan iones de litio.
2) La fase conductora (fase de gel de carbono) formada por la mezcla de agente conductor y colector de corriente, cumpliendo el aglutinante una función de unión; el recubrimiento conduce electrones a través del colector de corriente y el agente conductor.
3)Poros llenos de electrolito, que sirven como canales para el transporte de iones de litio-dentro de la lámina del electrodo.
4) Colector de corriente.
Durante el proceso electroquímico, el recubrimiento del electrodo implica principalmente los siguientes 4 procesos:
1)Transporte de electrones.
2)Transporte de iones.
3) Intercambio de carga en la interfaz electrolito/partícula electrodo, es decir, la reacción electroquímica.
4) Difusión de iones de litio dentro de la fase sólida. En la microestructura de la lámina del electrodo, el tamaño y la distribución de las partículas afectan la ruta de difusión de los iones de litio-y el área de superficie específica de la reacción electroquímica; el tamaño y la distribución de los poros afectan el proceso de transporte del electrolito; La porosidad afecta la cantidad de material activo y el área de superficie específica de la reacción electroquímica. Todas estas características microestructurales influyen en última instancia en el rendimiento de la batería.
Estructura del cátodo
El cátodo de la celda se compone principalmente de materiales catódicos como LiCoO₂, agente conductor, aglutinante (PVDF) y colector de corriente (lámina de aluminio), como se muestra en la Figura 7-2.
Para las baterías de iones de litio-, el colector de corriente del cátodo suele ser papel de aluminio y el colector de corriente del ánodo eslámina de cobre. Para asegurar la estabilidad del colector de corriente dentro de la batería, la pureza de ambos debe ser superior al 98%. Las razones por las que las baterías de iones de litio-utilizan papel de aluminio para el cátodo y papel de cobre para el ánodo son los siguientes 3 puntos:
1) El cobre y el aluminio tienen buena conductividad eléctrica, textura suave y bajo precio. El principio de funcionamiento de una batería de iones de litio-es un dispositivo electroquímico que convierte la energía química en energía eléctrica. En este proceso, se necesita un medio para transferir la energía química a energía eléctrica, para lo cual se necesita un material conductor. Entre los materiales comunes, los metales tienen la mejor conductividad eléctrica, y entre los metales, el cobre y el aluminio ofrecen una excelente conductividad y un precio relativamente bajo en forma de láminas de cobre y láminas de aluminio. En las baterías de iones de litio-hay principalmente dos métodos de procesamiento: bobinado y apilamiento. En comparación con el apilamiento, el bobinado requiere que las láminas de electrodos utilizadas para preparar la batería tengan cierta flexibilidad para garantizar que las láminas de electrodos no se vuelvan quebradizas ni se rompan durante el enrollado. Entre los materiales metálicos, las láminas de cobre y aluminio son blandas, las láminas de cobre/aluminio relativamente duras son caras, las láminas de cobre y aluminio son relativamente baratas y los recursos de cobre y aluminio son abundantes en todo el mundo.
2) Las láminas de cobre y aluminio también son relativamente estables en el aire. El aluminio reacciona químicamente fácilmente con el oxígeno del aire para formar una densa película de óxido en la superficie, evitando una mayor reacción del aluminio. Esta película de óxido de cobre/aluminio también proporciona un cierto efecto protector sobre el aluminio en el electrolito. El cobre en sí es relativamente estable en el aire y básicamente no sufre reacciones químicas en el aire seco.
3) Los potenciales de cátodo y ánodo de las baterías de iones de litio-determinan que se utilice papel de aluminio para el cátodo y papel de cobre para el ánodo, y no se pueden revertir. El potencial del cátodo es alto y la lámina de cobre se oxida fácilmente a alto potencial, mientras que el aluminio tiene un alto potencial de oxidación y una densa película de óxido en su capa superficial, que también proporciona una buena protección para el aluminio interno.
En la red cristalina del aluminio metálico, el cobre y el aluminio tienen tamaños similares al Li y pueden formar fácilmente compuestos intermetálicos con Li, como LiAl. Li y Al no solo pueden formar la aleación con la fórmula química LiAl, sino que también pueden formar capas de aleación Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al y Li₂Al. Estas capas de aleación consumen una gran cantidad de Li y dañan la estructura y morfología del propio Al, por lo que no se puede utilizar como colector de corriente del ánodo de baterías de iones de litio-; mientras que el Cu sufre muy poca disolución durante la carga-descarga de la batería y mantiene la estabilidad estructural y electroquímica, lo que lo hace adecuado como colector de corriente del ánodo para baterías de iones de litio-. Para la lámina de cobre a 3,5 V, la corriente de polarización comienza a aumentar significativamente y aumenta linealmente, con oxidación intensificada, lo que indica que el Cu también comienza a disolverse en la batería; mientras que para el papel de aluminio en todo el rango de potencial de polarización, la corriente de polarización es pequeña y estable, sin observarse fenómenos de corrosión evidentes, lo que mantiene la estabilidad electroquímica. Dado que la cantidad de disolución de Al en el rango de potencial catódico de las baterías de iones de litio-es extremadamente pequeña y se puede mantener la estabilidad electroquímica, es adecuado como colector de corriente catódica para baterías de iones de litio-.
La capa de óxido sobre las superficies de cobre/aluminio pertenece a semiconductores y conduce electrones; si la capa de óxido es demasiado gruesa, la impedancia es grande; mientras que la capa de óxido de aluminio sobre la superficie del aluminio es un aislante y no puede conducir electricidad, pero debido a que es muy delgada, la conducción de electrones se logra mediante el efecto túnel; Si la capa de óxido es gruesa, la conductividad del papel de cobre/aluminio es mala o incluso aislante. Generalmente, es necesario limpiar la capa de óxido del papel de cobre/aluminio antes de su uso para eliminar el aceite por un lado y las capas gruesas de óxido por el otro. El potencial del cátodo es alto y la capa de óxido de aluminio es muy densa, lo que puede evitar la oxidación del colector de corriente. Las capas de óxido de cobre/níquel, etc. están relativamente sueltas, lo que impide fácilmente el colector de corriente y proporciona un mejor rendimiento de la batería. Al mismo tiempo, el potencial del ánodo de las baterías de iones de litio-es bajo, y el cobre/níquel sufrirá reacciones de oxidación, con reacciones de oxidación/cobre/des-litiación que se producirán en la superficie de cobre/níquel, mientras que el aluminio se somete a una aleación de LiAl a alto potencial.
El coleccionista actual requiere composición pura. Las impurezas en el Al harán que la película superficial sea menos densa y provocarán corrosión por picaduras y, lo que es aún más grave, la destrucción de la película superficial conduce a la formación de una aleación de LiAl.
El coleccionista actual requiere composición pura. Las impurezas en el Al harán que la película superficial sea menos densa, lo que provocará corrosión por picaduras y, peor aún, la destrucción de la película superficial dará como resultado la formación de una aleación de LiAl.
Para las baterías de iones de litio-, el papel de aluminio del cátodo se ha reducido de 16 μm a 14 μm, luego a 12 μm, y ahora el papel de aluminio de 10 μm ya se está produciendo en masa, y algunos incluso utilizan 8 μm; Para la lámina de cobre del ánodo, debido a su flexibilidad inherentemente mejor, su espesor se ha reducido de los 12 μm anteriores a 10 μm, luego a 8 μm, y actualmente una gran parte de las baterías se producen-en masa utilizando 6 μm, mientras que algunos fabricantes están desarrollando 5 μm/4 μm que también son potencialmente utilizables. Dado que las baterías de iones de litio-tienen requisitos de alta pureza para la lámina de cobre utilizada, la densidad del material está básicamente al mismo nivel. A medida que disminuye el espesor en desarrollo, la densidad del área disminuye en consecuencia y el peso de la batería naturalmente se vuelve cada vez más liviano, lo que satisface la demanda de baterías de iones de litio-.
Para los colectores de corriente, además de que su grosor y peso afectan a las baterías de iones de litio-, las propiedades de la superficie del colector de corriente también tienen un impacto significativo en la producción y el rendimiento de la batería. Especialmente para el colector de corriente del ánodo, debido a defectos en la tecnología de preparación, las láminas de cobre en el mercado son principalmente variedades rugosas de una-cara, rugosas-de doble cara y rugosas-de doble cara. Esta estructura asimétrica de dos lados - conducirá a una resistencia de contacto asimétrica del recubrimiento del ánodo en ambos lados, evitando así la liberación uniforme de la capacidad del ánodo en ambos lados; al mismo tiempo, la asimetría en ambos lados también causará una fuerza de adhesión inconsistente del recubrimiento del ánodo, lo que resultará en un ciclo de vida de carga-descarga severamente desequilibrado del recubrimiento del ánodo en ambos lados, lo que a su vez acelera la caída de capacidad de la batería.
La formulación catódica de una sola celda es la tecnología central clave de la celda. A continuación se muestra un ejemplo:
1)LiCoO₂ (10μm): 96,0%.
2)Agente conductor (Carbono ECP): 2,0%.
3)Aglutinante (PVDF 761): 2,0%.
4)Promotor de adhesión (NMP): la proporción en peso de sustancias sólidas es de aproximadamente 810:1496.
Precauciones de formulación del cátodo:
1) Control de viscosidad de la suspensión catódica a 6000 cP (1 cP=1 mPa · s) (temperatura 25 grados).
2) El peso de NMP debe ajustarse adecuadamente para cumplir con el requisito de viscosidad.
3)Preste especial atención a la influencia de la temperatura y la humedad sobre la viscosidad.
Material del cátodo óxido de cobalto y litio: material activo del cátodo, fuente de iones de litio, proporciona una fuente de litio para la batería. Sustancia no-polar, forma irregular, tamaño de partícula D50 generalmente 6-8μm, contenido de humedad menor o igual al 0,2%, generalmente alcalino, pH 10-11.
Material del cátodo: óxido de litio y manganeso: sustancia no-polar, forma irregular, tamaño de partícula D50 generalmente de 5 a 7 μm, contenido de humedad inferior o igual al 0,2 %, generalmente débilmente alcalino, pH alrededor de 8.
Agente conductor: sustancia-similar a cadena, contenido de humedad<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.
Aglutinante (PVDF): sustancia no-polar, en forma de cadena-, peso molecular que oscila entre 300.000 y 3.000.000; El peso molecular disminuye después de la absorción de agua, lo que resulta en una peor adhesión. Se utiliza para unir óxido de cobalto de litio, agente conductor y papel de aluminio o malla de aluminio. Promotor de adhesión (NMP): Líquido débilmente polar, utilizado para disolver/hinchar PVDF y diluir simultáneamente la suspensión.
Colector de corriente (pestaña cátodo): Fabricado en papel de aluminio o tira de aluminio.
Estructura del ánodo
La estructura del ánodo de la celda consta de material de grafito, agente conductor, espesante (CMC), aglutinante (SBR) y colector de corriente (lámina de cobre), como se muestra en la Figura 7-3.
La formulación del ánodo de una sola celda es también una de las tecnologías centrales clave de la celda, generalmente de la siguiente manera:
1)Material del ánodo (grafito): 94,5%.
2) Agente conductor (Carbón ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Aglutinante (látex de caucho de estireno-butadieno, SBR): 2,25%.
4)Espesante (carboximetilcelulosa, CMC): 2,25%.
5)Agua: La proporción en peso de sustancias sólidas es 1600:1417,5.
Precauciones de formulación del ánodo:
1) Control de viscosidad de la suspensión anódica a 5000-6000 cP (temperatura 25 grados).
2) El peso del agua debe ajustarse adecuadamente para cumplir con el requisito de viscosidad.
3)Preste especial atención a la influencia de la temperatura y la humedad sobre la viscosidad.
Grafito: Material activo del ánodo, sustancia principal que constituye la reacción del ánodo, dividido principalmente en dos categorías principales: grafito natural y grafito artificial. Sustancia no-polar, fácilmente contaminada por-sustancias no polares, fácilmente dispersada en-sustancias no polares; No es fácil de absorber agua ni de dispersar fácilmente en agua. El grafito contaminado, después de dispersarse en agua, tiende a reaglomerarse. El tamaño general de partícula D50 es de alrededor de 20 μm. Las formas de las partículas son diversas y en su mayoría irregulares, principalmente esféricas, escamosas, fibrosas, etc.
Funciones del agente conductor:
1)Mejorar la conductividad de la lámina del ánodo y compensar la conductividad electrónica del material activo del ánodo.
2)Aumentar la profundidad de reacción y la tasa de utilización.
3)Prevenir la generación de dendritas.
4)Utilice la capacidad de absorción de líquido-de los materiales conductores para aumentar la interfaz de reacción y reducir la polarización (se puede agregar o no según la distribución del tamaño de las partículas de grafito).
Aditivos: reducen las reacciones irreversibles, aumentan la fuerza de unión y la viscosidad de la lechada y previenen la sedimentación de la lechada.
Agente espesante/anti-sedimentación (CMC): compuesto de alto peso molecular, fácilmente soluble en agua y disolventes polares.
Isopropanol: Sustancia débilmente polar; después de la adición, puede reducir la polaridad de la solución aglutinante y mejorar la compatibilidad entre el grafito y la solución aglutinante; tiene un fuerte efecto antiespumante; Cataliza fácilmente la-conexión cruzada de la red aglutinante y mejora la fuerza de la unión.
Etanol: Sustancia débilmente polar; después de la adición, puede reducir la polaridad de la solución aglutinante y mejorar la compatibilidad entre el grafito y la solución aglutinante; tiene un fuerte efecto antiespumante; cataliza fácilmente la reticulación lineal-del aglutinante y mejora la fuerza de unión (las funciones del isopropanol y el etanol son esencialmente las mismas; cuando se produce-en masa, se pueden considerar factores de costo para elegir cuál agregar).
Aglutinante-a base de agua (SBR): une grafito, agente conductor, aditivos y láminas o mallas de cobre; Molécula de emulsión de cadena lineal, extremadamente soluble en agua y disolventes polares.
Agua desionizada (o agua destilada): el diluyente, agregado en la cantidad adecuada, puede cambiar la fluidez de la suspensión.
Lengüeta de ánodo: Fabricada con lámina de cobre o tira de cobre.
