Ngembangkeun batré litium

Asal tina alat batré bisa dimimitian ku kapanggihna botol Leiden. Botol Leiden munggaran diciptakeun ku élmuwan Walanda Pieter van Musschenbroek dina 1745. Jar Leyden nyaéta alat kapasitor primitif. Ieu diwangun ku dua lambar logam dipisahkeun ku insulator. Batang logam di luhur dianggo pikeun nyimpen sareng ngaleupaskeun muatan. Lamun anjeun némpél rod Lamun bal logam dipaké, botol Leiden bisa ngajaga atawa nyabut énergi listrik internal, sarta prinsip sarta persiapan anu basajan. Saha waé anu kabetot tiasa ngadamelana nyalira di bumi, tapi fenomena pelepasan diri langkung parah kusabab pituduh anu saderhana. Sacara umum, sadaya listrik bakal discharged dina sababaraha jam nepi ka sababaraha poé. Tapi, mecenghulna botol Leiden nandaan tahap anyar dina panalungtikan listrik.

Dina taun 1790-an, élmuwan Italia Luigi Galvani manggihan pamakéan séng jeung kawat tambaga pikeun nyambungkeun suku bangkong sarta manggihan yén suku bangkong bakal kedutan, jadi anjeunna ngajukeun konsép "bioelektrik". Papanggihan ieu nyababkeun élmuwan Italia Alessandro kedutan. Bantahan Volta, Volta percaya yén kedutan suku bangkong asalna tina arus listrik anu dihasilkeun ku logam tinimbang arus listrik dina bangkong. Pikeun ngabantah téori Galvani, Volta ngajukeun Volta Stack anu kasohor. Tumpukan voltase ngandung séng jeung lambar tambaga jeung kardus soaked dina cai uyah di antara. Ieu mangrupikeun prototipe batré kimia anu diajukeun.
Persamaan réaksi éléktroda sél volta:

éléktroda positif: 2H^++2e^-→H_2

éléktroda négatip: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Dina 1836, élmuwan Inggris John Frederic Daniell nimukeun batré Daniel pikeun ngajawab masalah gelembung hawa dina batréna. Batré Daniel ngagaduhan bentuk primér batré kimia modern. Ieu diwangun ku dua bagian. Bagian positip direndam dina larutan tambaga sulfat. Bagian séjén tina tambaga nyaéta séng dicelupkeun dina larutan séng sulfat. Batré Daniel aslina ieu ngeusi solusi tambaga sulfat dina jar tambaga jeung diselapkeun wadahna cylindrical porous keramik di tengah. Dina wadah keramik ieu, aya rod séng jeung séng sulfat salaku éléktroda négatip. Dina leyuran, liang leutik dina wadah keramik ngidinan dua kenop pikeun tukeur ion. Batré Daniel modern lolobana ngagunakeun sasak uyah atawa mémbran semi-permeabel pikeun ngahontal éfék ieu. accu Daniel dipaké salaku sumber kakuatan pikeun jaringan telegraf dugi accu garing diganti aranjeunna.

Persamaan réaksi éléktroda batré Daniel:

Éléktroda positif: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

éléktroda négatip: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Sajauh ieu, bentuk primér batréna geus ditangtukeun, nu ngawengku éléktroda positif, éléktroda négatip, sarta éléktrolit. Dina dasar kitu, accu geus undergone ngembangkeun gancang dina 100 taun ka hareup. Loba sistem batré anyar geus mucunghul, kaasup nu élmuwan Perancis Gaston Planté nimukeun accu timbal-asam dina 1856. Batré-asam kalungguhan Arus kaluaran badag sarta harga low geus narik perhatian lega, ku kituna dipaké dina loba alat nu bagerak, kayaning mimiti listrik. kandaraan. Hal ieu sering dianggo salaku catu daya cadangan pikeun sababaraha rumah sakit sareng stasiun pangkalan. Batré asam timah utamana diwangun ku timah, timah dioksida, sareng larutan asam sulfat, sareng teganganna tiasa ngahontal sakitar 2V. Malahan di jaman modéren, batré asam timbal teu acan dileungitkeun kusabab téknologi asakna, hargana murah, sareng sistem basis cai anu langkung aman.

Persamaan réaksi éléktroda batré timbal-asam:

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

Éléktroda négatip: Pb + 〖SO〗_4^(2-)→ Pb〖SO〗_4+2e^-

Batré nikel-kadmium, diciptakeun ku élmuwan Swedia Waldemar Jungner di 1899, langkung seueur dianggo dina alat éléktronik sélulér leutik, sapertos walkmans awal, kusabab kapadetan énergi anu langkung luhur tibatan batré asam timbal. Sarupa jeung accu lead-acid. accu nikel-kadmium ogé geus loba dipaké saprak taun 1990-an, tapi karacunan maranéhanana relatif tinggi, sarta batréna sorangan miboga éfék memori husus. Ieu sababna urang sering ngadangu sababaraha sepuh nyarios yén batréna kedah discharged sapinuhna sateuacan ngecas sareng yén batré runtah bakal ngotoran bumi, sareng saterasna. (Catetan yén malah batré ayeuna téh kacida toksik na teu matak dipiceun madhab, tapi accu litium ayeuna teu boga mangpaat memori, sarta over-discharge ngabahayakeun pikeun hirup batré.) Batré nikel-kadmium téh leuwih ngaruksak kana lingkungan, sarta maranéhanana. résistansi internal bakal robih sareng suhu, anu tiasa nyababkeun karusakan kusabab arus kaleuleuwihan nalika ngecas. accu nikel-hidrogén laun ngaleungitkeun eta sabudeureun 2005. Sajauh, accu nikel-kadmium jarang katempo di pasar.

Persamaan réaksi éléktroda batré nikel-kadmium:

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

Éléktroda négatip: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-

Tahap batré logam litium

Dina taun 1960-an, jalma tungtungna resmi asup ka jaman batré litium.

Logam litium sorangan kapanggih dina 1817, sarta jalma geura-giru nyadar yén sipat fisik jeung kimia logam litium sacara inherently dipaké salaku bahan pikeun accu. Cai mibanda kapadetan low (0.534g 〖cm〗^(-3)), kapasitas badag (téoritis nepi ka 3860mAh g^(-1)), sarta poténsi low na (-3.04V dibandingkeun éléktroda hidrogén baku). Ieu ampir ngawartosan jalma kuring bahan éléktroda négatip tina batré idéal. Sanajan kitu, litium logam sorangan boga masalah badag. Éta aktip teuing, ngaréaksikeun pisan sareng cai, sareng gaduh syarat anu luhur pikeun lingkungan operasi. Ku alatan éta, pikeun lila jalma teu daya teu upaya.

Dina 1913, Lewis sarta Keyes ngukur poténsi éléktroda logam litium. Sarta ngalaksanakeun tés batré jeung litium iodida dina leyuran propylamine salaku éléktrolit, sanajan gagal.

Dina 1958, William Sidney Harris disebutkeun dina tesis doktor na yén anjeunna nempatkeun litium logam dina leyuran éster organik béda jeung observasi formasi runtuyan lapisan passivation (kaasup logam litium dina asam perchloric). Litium LiClO_4

Fenomena dina leyuran PC propiléna karbonat, sarta leyuran ieu mangrupa sistem éléktrolit vital dina accu litium dina mangsa nu bakal datang), sarta fenomena transmisi ion husus geus katalungtik, jadi sababaraha percobaan electrodeposition awal geus dipigawé dumasar kana ieu. Percobaan ieu sacara resmi nyababkeun pamekaran batré litium.

Dina taun 1965, NASA ngalaksanakeun studi anu jero ngeunaan fénoména ngeusi batre Li||Cu dina solusi PC litium perchlorate. Sistem éléktrolit séjén, kaasup analisis LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Panalungtikan ieu geus ngahudang minat hébat dina sistem éléktrolit organik.

Dina 1969, hiji patén némbongkeun yén batur geus mimiti nyoba commercialize accu solusi organik ngagunakeun litium, natrium, jeung logam kalium.

Taun 1970, Panasonic Corporation Jepang nimukeun batré Li‖CF_x┤, dimana rasio x umumna 0.5-1. CF_x mangrupakeun fluorocarbon. Sanajan gas fluorine kacida toksik, fluorocarbon sorangan mangrupa bubuk non-toksik bodas off-bodas. Munculna batré Li‖CF_x ┤ bisa disebutkeun salaku batré litium komérsial nyata munggaran. Batré Li‖CF_x ┤ nyaéta batré primér. Masih, kapasitasna ageung, kapasitas téoritis nyaéta 865mAh 〖Kg〗^(-1), sareng tegangan discharge na stabil pisan dina jarak jauh. Lantaran kitu, kakuatan stabil sarta fenomena timer ngurangan leutik. Tapi boga kinerja laju abysmal sarta teu bisa boga muatan. Ku alatan éta, umumna digabungkeun jeung mangan dioksida pikeun nyieun batré Li‖CF_x ┤-MnO_2, nu dipaké salaku accu internal pikeun sababaraha sensor leutik, jam, jeung sajabana, sarta teu acan ngaleungitkeun.

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

Éléktroda négatip: Li→〖Li〗^++e^-

Dina 1975, Sanyo Corporation Jepang nimukeun batré Li‖MnO_2 ┤, mimiti dipaké dina kalkulator surya rechargeable. Ieu bisa dianggap salaku batré litium rechargeable munggaran. Sanaos produk ieu suksés di Jepang dina waktos éta, jalma-jalma henteu gaduh pamahaman anu jero ngeunaan bahan sapertos kitu sareng henteu terang litium sareng mangan dioksida na. Naon jenis alesan di balik réaksi?

Dina waktos anu sami, urang Amerika milarian batré anu tiasa dianggo deui, anu ayeuna urang sebut batré sekundér.

Taun 1972, MBArmand (nami sababaraha élmuwan teu ditarjamahkeun dina awalna) diajukeun dina makalah konperénsi M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (dimana M nyaéta logam alkali) jeung bahan séjén nu mibanda struktur biru Prusia. , Jeung diajar fenomena intercalation ion na. Sarta dina 1973, J. Broadhead jeung batur ti Bell Labs nalungtik fenomena intercalation walirang jeung iodin atom dina dichalcogenides logam. Studi awal ngeunaan fenomena interkalasi ion ieu mangrupikeun kakuatan panggerak anu paling penting pikeun kamajuan bertahap batré litium. Panaliti aslina akurat kusabab panilitian ieu yén batré litium-ion engké janten mungkin.

Dina 1975, Martin B. Dines of Exxon (anu miheulaan Exxon Mobil) ngalaksanakeun itungan awal jeung ékspérimén dina interkalasi antara runtuyan dichalcogenides logam transisi jeung logam alkali jeung dina taun anu sarua, Exxon éta ngaran séjén Élmuwan MS Whittingham diterbitkeun mangrupa patén. dina kolam renang Li‖TiS_2 ┤. Sarta dina 1977, Exoon commercialized batré dumasar kana Li-Al‖TiS_2┤, nu alloy aluminium litium bisa ningkatkeun kasalametan batréna (sanajan aya kénéh resiko leuwih signifikan). Saatos éta, sistem batré sapertos kitu parantos dianggo ku Eveready di Amérika Serikat. Commercialization of Batre Company jeung Grace Company. Batré Li‖TiS_2 ┤ tiasa janten batré litium sekundér munggaran dina harti anu leres, sareng éta ogé sistem batré anu paling panas dina waktos éta. Dina waktos éta, kapadetan énergina sakitar 2-3 kali tina batré asam timbal.

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

Éléktroda négatip: Li→〖Li〗^++e^-

Dina waktos anu sami, élmuwan Kanada MA Py nimukeun batré Li‖MoS_2┤ dina 1983, anu tiasa gaduh dénsitas énergi 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) dina 1/3C, anu sami sareng Li‖TiS_2┤ batré. Dumasar ieu, dina 1987, pausahaan Kanada Moli Energy ngaluncurkeun batré litium anu sacara éksténsif dikomersilkeun sacara éksténsif, anu dipilarian sacara lega di sakuliah dunya. Ieu kedah janten kajadian anu penting dina sajarahna, tapi ironina éta ogé nyababkeun turunna Moli saatosna. Teras dina musim semi 1989, Moli Company ngaluncurkeun produk batré Li‖MoS_2┤ generasi kadua na. Dina ahir musim semi 1989, produk batré Li‖MoS_2┤ generasi kahiji Moli ngabeledug sareng nyababkeun panik skala ageung. Dina usum panas taun anu sarua, sadaya produk anu recalled, sarta korban anu katembong. Dina ahir taun anu sami, Moli Energy nyatakeun bangkrut sareng diaku ku NEC Jepang dina musim semi 1990. Perlu disebatkeun yén dikabarkan yén Jeff Dahn, saurang élmuwan Kanada dina waktos éta, mingpin proyék batré di Moli. Énergi sarta pasrah kusabab oposisi na terus listings Li‖MoS_2 ┤ accu.

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

Éléktroda négatip: Li→〖Li〗^++e^-

Sajauh ieu, batré logam litium laun-laun ngantunkeun pandangan masarakat. Urang tiasa ningali yén salami periode ti 1970 dugi ka 1980, panalungtikan para ilmuwan ngeunaan batré litium utamina difokuskeun kana bahan katoda. Tujuan ahir ieu invariably fokus kana dichalcogenides logam transisi. Kusabab struktur layered maranéhanana (dichalcogenides logam transisi ayeuna loba diajar salaku bahan dua diménsi), lapisan maranéhanana sarta Aya cukup sela antara lapisan pikeun nampung sisipan ion litium. Dina waktu éta, aya teuing saeutik panalungtikan ngeunaan bahan anoda dina mangsa ieu. Sanajan sababaraha studi geus fokus kana alloying logam litium pikeun ngaronjatkeun stabilitas na, litium logam sorangan teuing teu stabil sarta bahaya. Sanaos ledakan batré Moli mangrupikeun acara anu ngajempolan dunya, parantos seueur Kasus ledakan batré logam litium.

Sumawona, jalma henteu terang pisan anu nyababkeun ledakan batré litium. Sajaba ti éta, logam litium kungsi dianggap bahan éléktroda négatip irreplaceable alatan sipat alus. Saatos ngabeledugna batré Moli, katampi masarakat kana batré logam litium turun, sareng batré litium asup kana jaman poék.

Pikeun gaduh batré anu langkung aman, jalma kedah mimitian ku bahan éléktroda anu ngabahayakeun. Masih, aya sababaraha masalah di dieu: poténsi logam litium deet, sarta pamakéan sanyawa éléktroda négatip sejenna bakal ningkatkeun poténsi éléktroda négatip, sarta ku cara ieu, batré litium. dénsitas énergi badai. Ku alatan éta, élmuwan kudu manggihan bahan katoda tegangan tinggi pakait. Dina waktos anu sami, éléktrolit batré kedah cocog sareng tegangan positip sareng négatip sareng stabilitas siklus. Dina waktos anu sami, konduktivitas éléktrolit sareng résistansi panas langkung saé. Runtuyan patarosan ieu ngabingungkeun para ilmuwan pikeun lila pikeun mendakan jawaban anu langkung nyugemakeun.

Masalah munggaran pikeun direngsekeun ku élmuwan nyaéta mendakan bahan éléktroda anu aman sareng ngabahayakeun anu tiasa ngagentos logam litium. Litium logam sorangan boga teuing aktivitas kimiawi, sarta runtuyan masalah tumuwuhna dendrite geus teuing kasar dina lingkungan pamakéan sarta kaayaan, sarta teu aman. Grafit ayeuna awak utama éléktroda négatip tina accu litium-ion, sarta aplikasi na dina accu litium geus ditalungtik salaku awal salaku 1976. Dina 1976, Besenhard, JO geus dipigawé ulikan nu leuwih lengkep dina sintésis éléktrokimia LiC_R. Sanajan kitu, sanajan grafit boga sipat alus teuing (konduktivitas tinggi, kapasitas tinggi, poténsi low, inertness, jsb), dina waktu éta, éléktrolit dipaké dina accu litium umumna solusi PC tina LiClO_4 disebutkeun di luhur. Grafit boga masalah signifikan. Dina henteuna panyalindungan, molekul PC éléktrolit ogé bakal asup kana struktur grafit jeung interkalasi litium-ion, hasilna panurunan dina kinerja siklus. Ku alatan éta, grafit teu favored ku élmuwan waktu éta.

Sedengkeun pikeun bahan katoda, sanggeus panalungtikan tahap batré logam litium, para ilmuwan manggihan yén bahan anoda lithiation sorangan ogé mangrupa bahan panyimpen litium kalawan reversibility alus, kayaning LiTiS_2, 〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x). =1,2) jeung saterusna, sarta dina dasar ieu, 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 jeung bahan séjén geus dimekarkeun. Jeung élmuwan geus laun jadi akrab jeung rupa-rupa saluran ion 1-dimensi (1D), 2-dimensi layered ion intercalation (2D), jeung 3-diménsi struktur jaringan transmisi ion.

Panaliti anu paling kasohor Profesor John B. Goodenough ngeunaan LiCoO_2 (LCO) ogé lumangsung dina waktos ieu. Dina 1979, Goodenougd et al. diideuan ku artikel ngeunaan struktur NaCoO_2 di 1973 sarta kapanggih LCO sarta diterbitkeun artikel patén. LCO mibanda struktur interkalasi berlapis sarupa jeung disulfida logam transisi, nu ion litium bisa malik diselapkeun jeung diekstrak. Lamun ion litium sagemblengna sasari, struktur nutup-dipakétkeun of CoO_2 bakal kabentuk, sarta eta bisa ulang diselapkeun jeung ion litium pikeun litium (Tangtu, hiji batré sabenerna moal ngidinan ion litium bisa sasari sagemblengna, nu bakal nyababkeun kapasitasna gancang rusak). Taun 1986, Akira Yoshino, anu masih damel di Asahi Kasei Corporation di Jepang, ngagabungkeun tilu solusi PC LCO, coke, sareng LiClO_4 PC pikeun kahiji kalina, janten batré sekundér litium-ion modern munggaran sareng janten litium ayeuna. batréna. Sony gancang noticed nu "cukup alus" patén LCO lalaki heubeul urang jeung meunang otorisasina ngagunakeun eta. Dina 1991, éta commercialized batré litium-ion LCO. Konsep batré litium-ion ogé muncul dina waktu ieu, sarta gagasan na ogé terus nepi ka poé ieu. (Perhatikeun yén batré litium-ion generasi kahiji Sony sareng Akira Yoshino ogé nganggo karbon keras salaku éléktroda négatip tibatan grafit, sareng alesanana nyaéta yén PC di luhur gaduh interkalasi dina grafit)

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

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

Di sisi séjén, dina 1978, Armand, M. ngusulkeun pamakéan poliétilén glikol (PEO) salaku éléktrolit polimér padet pikeun ngajawab masalah di luhur yén anoda grafit gampang napel dina molekul PC pangleyur (éta éléktrolit mainstream dina waktu éta kénéh. ngagunakeun PC, solusi campuran DEC), nu nempatkeun grafit kana sistem batré litium pikeun kahiji kalina, sarta ngajukeun konsép batré goyang-korsi (rocking-korsi) dina taun saterusna. Konsep sapertos kitu terus dugi ka ayeuna. Sistem éléktrolit arus utama ayeuna, sapertos ED/DEC, EC/DMC, jsb., ngan lalaunan muncul dina taun 1990-an sareng parantos dianggo ti saprak éta.

Salila période nu sarua, élmuwan ogé ngajajah runtuyan batré: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ accu, Li‖V〖SE〗_2 ┤ accu, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 accu, Li‖CuO,┤ Li ‖I_2 ┤Aki, jsb., sabab ayeuna kurang berharga, sareng teu aya seueur jinis panalungtikan sahingga kuring henteu ngenalkeunana sacara rinci.

• Li-ion batré panggung

Jaman pangwangunan batré litium-ion saatos taun 1991 mangrupikeun jaman ayeuna urang.

Bubuka pikeun sistem batré litium-ion ayeuna, ieu mangrupikeun bagian salajengna.