D'Entwécklung vu Lithium Batterien

D'Origine vun der Batterie Apparat kann mat der Entdeckung vun der Leiden Fläsch ufänken. D'Leiden Fläsch gouf fir d'éischt vum hollännesche Wëssenschaftler Pieter van Musschenbroek am Joer 1745 erfonnt. De Leyden Jar ass e primitive Kondensatorapparat. Et besteet aus zwee Metallplacke getrennt vun engem Isolator. D'Metallstang uewendriwwer gëtt benotzt fir Ladung ze späicheren an ze befreien. Wann Dir d'Staang beréiert Wann de Metallkugel benotzt gëtt, kann d'Leiden Fläsch d'intern elektresch Energie halen oder ewechhuelen, a säi Prinzip an d'Virbereedung sinn einfach. Jiddereen deen interesséiert ass kann et selwer doheem maachen, awer säi Selbstentladungsphenomen ass méi schwéier wéinst sengem einfache Guide. Allgemeng gëtt all Stroum an e puer Stonnen bis e puer Deeg entlooss. Wéi och ëmmer, d'Entstoe vun der Leidener Fläsch markéiert eng nei Etapp an der Fuerschung iwwer Elektrizitéit.

An de 1790er huet den italienesche Wëssenschaftler Luigi Galvani d'Benotzung vun Zink- a Kupferdrähte entdeckt fir Fräschbeen ze verbannen a festgestallt datt Fräschbeen sech zéien, sou datt hien d'Konzept vun "Bioelektrizitéit" proposéiert huet. Dës Entdeckung huet den italienesche Wëssenschaftler Alessandro gedréint. Dem Volta seng Contestatioun, de Volta mengt datt d'Zrécklung vun de Froschbeen aus dem elektresche Stroum, deen duerch d'Metall generéiert gëtt, anstatt dem elektresche Stroum um Frog kënnt. Fir dem Galvani seng Theorie ze refuséieren, huet de Volta säi berühmte Volta Stack proposéiert. De voltaesche Stack besteet aus Zink- a Kupferplacke mat Kartong, deen tëscht Salzwasser getippt ass. Dëst ass de Prototyp vun enger chemescher Batterie proposéiert.
D'Elektrodenreaktiounsgleichung vun enger voltaescher Zell:

positiv Elektrode: 2H^++2e^-→H_2

negativ Elektroden: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

1836 huet de britesche Wëssenschaftler John Frederic Daniell d'Daniel Batterie erfonnt fir de Problem vun de Loftblasen an der Batterie ze léisen. D'Daniel Batterie huet déi primär Form vun enger moderner chemescher Batterie. Et besteet aus zwee Deeler. De positiven Deel gëtt an enger Kupfersulfat-Léisung ënnerdaach. Deen aneren Deel vu Kupfer ass Zink an enger Zinksulfatléisung ënnerdaucht. Déi ursprénglech Daniel Batterie gouf mat Kupfersulfatléisung an engem Kupferbecher gefüllt an e Keramik porösen zylindresche Behälter am Zentrum agebaut. An dësem Keramikbehälter gëtt et eng Zinkstab an Zinksulfat als negativ Elektrode. An der Léisung erlaben déi kleng Lächer am Keramikbehälter déi zwee Schlësselen fir Ionen auszetauschen. Modern Daniel Batterien benotzen meeschtens Salzbrécke oder semi-permeable Membranen fir dësen Effekt z'erreechen. Daniel Batterie goufen als Stroumquell fir den Telegraphennetz benotzt, bis d'Trocknbatterien se ersat hunn.

D'Elektrodenreaktiounsgleichung vun der Daniel Batterie:

Positiv Elektrode: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

negativ Elektroden: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Bis elo ass déi primär Form vun der Batterie bestëmmt ginn, déi d'positiv Elektrode, d'negativ Elektrode an d'Elektrolyt enthält. Op esou enger Basis hunn d'Batterien an den nächsten 100 Joer séier Entwécklung gemaach. Vill nei Batteriesystemer sinn erschéngen, dorënner de franséische Wëssenschaftler Gaston Planté erfonnt Bläi-Säure-Batterien am Joer 1856. Bläi-Säure-Batterien Seng grouss Ausgangsstroum an niddrege Präis hu grouss Opmierksamkeet ugezunn, sou datt et a ville mobilen Apparater benotzt gëtt, wéi zum Beispill fréi elektresch. Gefierer. Et gëtt dacks als Backup-Energieversuergung fir e puer Spideeler a Basisstatiounen benotzt. Bläi-Säure-Batterien besteet haaptsächlech aus Bläi, Bläidioxid a Schwefelsäureléisung, an hir Spannung kann ongeféier 2V erreechen. Och a modernen Zäiten sinn Bläi-Säure-Batterien net eliminéiert ginn wéinst hirer reife Technologie, niddrege Präisser a méi sécher Waasserbaséiert Systemer.

D'Elektroden Reaktioun Equatioun vun Bläi-Sauer Batterie:

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

Negativ Elektrode: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗4+2e^-

D'Nickel-Cadmium Batterie, déi vum schwedesche Wëssenschaftler Waldemar Jungner am Joer 1899 erfonnt gouf, gëtt méi wäit a klenge mobilen elektroneschen Apparater benotzt, wéi zum Beispill fréi Walkmans, wéinst senger méi héijer Energiedicht wéi Bläi-Sauer Batterien. Ähnlech wéi Bläi-Sauer Batterien. Nickel-Cadmium Batterien sinn och vill benotzt zënter den 1990er, awer hir Toxizitéit ass relativ héich, an d'Batterie selwer huet e spezifesche Gedächtniseffekt. Dofir héiere mir dacks eeler Erwuessener soen, datt d'Batterie virum Oplueden komplett entlaascht muss ginn an datt d'Batterien d'Land kontaminéieren, asw. (Notéiert datt och aktuell Batterien héich gëfteg sinn a sollten net iwwerall verworf ginn, awer déi aktuell Lithium Batterien hunn keng Erënnerungsvirdeeler, an Iwwerentladung ass schiedlech fir d'Batteriedauer.) Nickel-Cadmium Batterien si méi schiedlech fir d'Ëmwelt, an hir intern Resistenz ännert sech mat der Temperatur, wat Schued verursaache kann wéinst exzessive Stroum beim Laden. Nickel-Waasserstoff-Batterien hunn et no an no ëm 2005 eliminéiert. Bis elo sinn Nickel-Cadmium-Batterien seelen um Maart ze gesinn.

Elektroden Reaktioun Equatioun vun Nickel-Cadmium Batterie:

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

Negativ Elektrode: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗2+2e^-

Lithium Metal Batterie Etapp

An den 1960er Jore sinn d'Leit endlech offiziell an d'Ära vun de Lithium Batterien agaangen.

Lithiummetall selwer gouf am Joer 1817 entdeckt, an d'Leit hu séier gemierkt datt d'physikalesch a chemesch Eegeschafte vum Lithiummetall natierlech als Material fir Batterien benotzt ginn. Et huet niddereg Dicht (0.534g 〖cm〗^(-3)), grouss Kapazitéit (theoretesch bis zu 3860mAh g^(-1)), a seng niddereg Potenzial (-3.04V am Verglach zu Standard Wasserstoffelektrode). Dës si bal Leit soen ech déi negativ Elektroden Material vun der ideal Batterie. Wéi och ëmmer, Lithiummetall selwer huet enorm Problemer. Et ass ze aktiv, reagéiert gewalteg mat Waasser, an huet héich Ufuerderungen un d'Operatiounsëmfeld. Dofir, fir eng laang Zäit, Leit waren hëlleflos mat et.

1913 hunn de Lewis an de Keyes de Potenzial vun der Lithiummetallelektrode gemooss. A gehaal eng Batterie Test mat Lithiumjodid an propylamine Léisung als electrolyte, obwuel et gescheitert.

1958 huet de William Sidney Harris a senger Doktoratsaarbecht ernimmt, datt hien Lithiummetall a verschiddenen organeschen Esterléisungen gesat huet an d'Bildung vun enger Serie vu Passivatiounsschichten observéiert huet (och Lithiummetall a Perchlorsäure). Lithium LiClO_4

De Phänomen an der PC-Léisung vu Propylenkarbonat, an dës Léisung ass e vitalen Elektrolytsystem a Lithium-Batterien an der Zukunft), an e spezifescht Ioneniwwerdroungsphenomen gouf beobachtet, sou datt e puer virleefeg Elektrodepositiounsexperimenter op dëser Basis gemaach goufen. Dës Experimenter hunn offiziell zu der Entwécklung vu Lithium Batterien gefouert.

Am Joer 1965 huet d'NASA eng detailléiert Studie iwwer d'Laden an d'Entladungsphenomener vu Li||Cu Batterien a Lithiumperchlorat PC-Léisungen gemaach. Aner Elektrolytsystemer, dorënner d'Analyse vu LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Dës Fuerschung huet e groussen Interessi un organeschen Elektrolytsystemer erwächt.

Am Joer 1969 huet e Patent gewisen datt een ugefaang huet ze probéieren organesch Léisungsbatterien ze kommerzialiséieren mat Lithium, Natrium a Kaliummetaller.

Am Joer 1970 huet d'japanesch Panasonic Corporation d'Li‖CF_x ┤ Batterie erfonnt, wou d'Verhältnis vun x allgemeng 0.5-1 ass. CF_x ass e Fluorkarbon. Och wann Fluorgas héich gëfteg ass, ass de Fluorocarbon selwer en off-white net-gëftegt Pudder. D'Entstoe vu Li‖CF_x ┤ Batterie kann als déi éischt richteg kommerziell Lithium Batterie gesot ginn. Li‖CF_x ┤ Batterie ass eng primär Batterie. Trotzdem ass seng Kapazitéit enorm, déi theoretesch Kapazitéit ass 865mAh 〖Kg〗^(-1), a seng Entladungsspannung ass ganz stabil op der laanger Streck. Dofir ass d'Kraaft stabil an d'Selbstentladungsphenomen kleng. Awer et huet eng onheemlech Taux Leeschtung a kann net gelueden ginn. Dofir gëtt et allgemeng mat Mangandioxid kombinéiert fir Li‖CF_x ┤-MnO_2 Batterien ze maachen, déi als intern Batterie fir e puer kleng Sensoren, Aueren, etc. benotzt ginn, an net eliminéiert goufen.

Positiv Elektrode: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF

Negativ Elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Am Joer 1975 huet d'japanesch Sanyo Corporation d'Li‖MnO_2 ┤ Batterie erfonnt, fir d'éischt an nofëllbare Solarrechner benotzt. Dëst kann als déi éischt nofëllbar Lithium Batterie ugesi ginn. Och wann dëst Produkt zu där Zäit e grousse Succès a Japan war, hunn d'Leit net en déiwe Verständnis vun esou Material a woussten net säi Lithium a Mangandioxid. Wéi eng Ursaach stécht hannert der Reaktioun?

Bal zur selwechter Zäit hunn d'Amerikaner no enger Wiederverwendbarer Batterie gesicht, déi mir elo eng sekundär Batterie nennen.

Am Joer 1972 huet MBArmand (d'Nimm vun e puer Wëssenschaftler am Ufank net iwwersat) an engem Konferenzpabeier M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (wou M en Alkalimetall ass) an aner Materialer mat enger preisescher bloer Struktur proposéiert. , A studéiert säin Ioninterkalatiounsphenomen. An 1973, J. Broadhead an anerer vun Bell Labs studéiert der Intercalation Phänomen vun Schwefel an Jod Atomer an Metal dichalcogenides. Dës virleefeg Studien iwwer d'Ioneninterkalatiounsphenomen sinn déi wichtegst Drivkraaft fir de graduelle Fortschrëtt vu Lithiumbatterien. Déi ursprénglech Fuerschung ass präzis wéinst dëse Studien datt spéider Lithium-Ion Batterien méiglech ginn.

1975 huet de Martin B. Dines vun Exxon (de Virgänger vum Exxon Mobil) virleefeg Berechnungen an Experimenter iwwer d'Interkalatioun tëscht enger Serie vun Iwwergangsmetall-Dicalcogeniden an Alkalimetaller gemaach an am selwechte Joer war Exxon en aneren Numm Wëssenschaftler MS Whittingham publizéiert e Patent op Li‖TiS_2 ┤ Pool. An 1977 huet Exoon eng Batterie kommerzialiséiert baséiert op Li-Al‖TiS_2┤, an där d'Lithium-Aluminiumlegierung d'Sécherheet vun der Batterie verbesseren kann (obwuel et nach ëmmer e méi bedeitende Risiko ass). Duerno goufen esou Batteriesystemer successiv vun Eveready an den USA benotzt. Kommerzialiséierung vun Batterie Company an Grace Company. D'Li‖TiS_2 ┤ Batterie kann déi éischt sekundär Lithium Batterie am richtege Sënn sinn, an et war och dee waarmste Batteriesystem zu där Zäit. Zu där Zäit war seng Energiedicht ongeféier 2-3 Mol déi vu Bläi-Säure-Batterien.

Positiv Elektrode: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2

Negativ Elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Zur selwechter Zäit huet de kanadesche Wëssenschaftler MA Py d'Li‖MoS_2┤ Batterie am Joer 1983 erfonnt, déi eng Energiedicht vu 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) bei 1/3C hunn, wat entsprécht Li‖TiS_2┤ Batterie. Baséierend op deem, 1987, huet déi kanadesch Firma Moli Energy eng wierklech extensiv kommerzialiséiert Lithium Batterie lancéiert, déi weltwäit wäit gesicht gouf. Dëst sollt en historesch bedeitend Event gewiescht sinn, awer d'Ironie ass datt et duerno och den Ënnergang vum Moli verursaacht. Dann am Fréijoer 1989 huet d'Moli Company seng zweet Generatioun Li‖MoS_2┤ Batterieprodukter gestart. Um Enn vum Fréijoer 1989 ass dem Moli seng éischt Generatioun Li‖MoS_2┤ Batterieprodukt explodéiert an eng grouss Panik verursaacht. Am Summer vum selwechte Joer goufen all Produkter zréckgeruff, an d'Affer goufen kompenséiert. Um Enn vum selwechte Joer huet Moli Energy Faillite erkläert a gouf vum japanesche NEC am Fréijoer 1990 opkaf. Et ass derwäert ze notéieren datt et Rumeuren ass datt de Jeff Dahn, e kanadesche Wëssenschaftler deemools, de Batterieprojet zu Moli gefouert huet. Energie an huet demissionéiert wéinst senger Oppositioun zu der weiderer Oplëschtung vu Li‖MoS_2 ┤ Batterien.

Positiv Elektrode: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2

Negativ Elektrode: Li→〖Li〗^++e^-

Bis elo hunn d'Lithium-Metall-Batterien no an no dem Public seng Siicht verlooss. Mir kënne gesinn datt während der Period vun 1970 bis 1980 d'Fuerschung vun de Wëssenschaftler iwwer Lithiumbatterien haaptsächlech op Kathodematerial konzentréiert war. D'Finale Zil ass ëmmer op Iwwergangsmetall-Dichalcogeniden konzentréiert. Wéinst hirer Layer Struktur (Iwwergangsmetall dichalcogenides sinn elo wäit als zwee-zweedimensional Material studéiert), hir Schichten an Et gi genuch Lücken tëscht de Schichten d'Insertion vun Lithium-Ionen aménagéieren. Deemools gouf et an dëser Period ze wéineg Fuerschung iwwer Anodenmaterialien. Och wann e puer Studien sech op d'Legierung vu Lithiummetall konzentréiert hunn fir seng Stabilitéit ze verbesseren, ass Lithiummetall selwer ze onbestänneg a geféierlech. Och wann dem Moli seng Batterie Explosioun en Event war deen d'Welt schockéiert huet, goufen et vill Fäll vun der Explosioun vu Lithium Metallbatterien.

Ausserdeem wossten d'Leit d'Ursaach vun der Explosioun vu Lithiumbatterien net ganz gutt. Zousätzlech gouf Lithiummetall eemol als irreplaceable negativ Elektrodenmaterial ugesinn wéinst senge gudden Eegeschaften. No der Explosioun vun der Batterie vum Moli ass d'Akzeptanz vun de Leit vu Lithium-Metall-Batterien erofgaang, a Lithium-Batterien koumen an eng donkel Period.

Fir eng méi sécher Batterie ze hunn, mussen d'Leit mat dem schiedlechen Elektrodenmaterial ufänken. Trotzdem ginn et eng Rei vu Probleemer hei: d'Potenzial vu Lithiummetall ass flaach, an d'Benotzung vun anere Verbindungsnegativen Elektroden wäert den negativen Elektrodenpotenzial erhéijen, an dës Manéier Lithium Batterien De Gesamtpotenzialdifferenz gëtt reduzéiert, wat reduzéiert gëtt. d'Energiedicht vum Stuerm. Dofir mussen d'Wëssenschaftler dat entspriechend Héichspannungskathodematerial fannen. Zur selwechter Zäit muss den Elektrolyt vun der Batterie mat de positiven an negativen Spannungen an der Zyklusstabilitéit passen. Zur selwechter Zäit ass d'Konduktivitéit vum Elektrolyt an d'Hëtztbeständegkeet besser. Dës Serie vu Froen huet d'Wëssenschaftler eng laang Zäit verwonnert fir eng méi zefriddestellend Äntwert ze fannen.

Den éischte Problem fir d'Wëssenschaftler ze léisen ass e séchert, schiedlecht Elektrodenmaterial ze fannen dat Lithiummetall ersetzen kann. Lithium Metal selwer huet ze vill chemesch Aktivitéit, an eng Serie vun Dendrit Wuesstem Problemer goufen ze haart op d'Benotzung Ëmwelt a Konditiounen, an et ass net sécher. Graphite ass elo den Haaptkierper vun der negativer Elektrode vu Lithium-Ion-Batterien, a seng Uwendung an Lithium-Batterien gouf scho studéiert 1976. Am Joer 1976 huet de Besenhard, JO eng méi detailléiert Studie iwwer d'elektrochemesch Synthese vu LiC_R gemaach. Wéi och ëmmer, och wann d'Graphit exzellent Eegeschaften huet (héich Konduktivitéit, héich Kapazitéit, niddereg Potenzial, Inertheet, asw.), Zu där Zäit ass den Elektrolyt, deen a Lithium Batterien benotzt gëtt, allgemeng d'PC-Léisung vu LiClO_4 uewen ernimmt. Graphite huet e wesentleche Problem. Beim Fehlen vum Schutz ginn d'Elektrolyt-PC-Moleküle och an d'Graphitstruktur mat der Lithium-Ion-Interkalatioun anzeginn, wat zu enger Ofsenkung vun der Zyklusleistung resultéiert. Dofir war Graphit zu där Zäit net vu Wëssenschaftler favoriséiert.

Wat d'Kathodematerial ugeet, no der Fuerschung vun der Lithium-Metall-Batteriestadium, hunn d'Wëssenschaftler festgestallt datt d'Lithiumanodematerial selwer och e Lithiumlagermaterial mat gudder Reversibilitéit ass, wéi LiTiS_2, 〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x) =1,2) a sou weider, an op dëser Basis sinn 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x <3), LiV_2 O_8 an aner Materialien entwéckelt. A Wëssenschaftler hu sech no an no mat verschiddenen 1-zweedimensionalen Ionekanäl (1D), 2-zweedimensional Layer-Ion-Interkalatioun (2D) an 3-zweedimensional Ionentransmissionsnetzstrukturen vertraut.

Dem Professer John B. Goodenough seng bekanntst Fuerschung iwwer LiCoO_2 (LCO) ass och zu dëser Zäit geschitt. 1979, Goodenougd et al. goufen vun engem Artikel iwwer d'Struktur vum NaCoO_2 am Joer 1973 inspiréiert an hunn LCO entdeckt an e Patentartikel publizéiert. LCO huet eng geschichte Interkalatiounsstruktur ähnlech wéi Iwwergangsmetalldisulfiden, an deenen d'Lithiumionen reversibel agesat an extrahéiert kënne ginn. Wann d'Lithium-Ionen komplett extrahéiert ginn, gëtt eng dichtgepackt Struktur vu CoO_2 geformt, an et kann erëm mat Lithium-Ionen fir Lithium agebaut ginn (Natierlech erlaabt eng tatsächlech Batterie net datt d'Lithium-Ionen komplett extrahéiert ginn, wat wäert d'Kapazitéit séier zerfall). Am 1986 huet den Akira Yoshino, deen nach ëmmer bei der Asahi Kasei Corporation a Japan geschafft huet, déi dräi vun der LCO, Kock, a LiClO_4 PC Léisung fir d'éischte Kéier kombinéiert, déi éischt modern Lithium-Ion sekundär Batterie ginn an aktuell Lithium ginn. der Batterie. Sony huet séier de "gutt genuch" ale Mann LCO Patent gemierkt a krut Autorisatioun fir et ze benotzen. Am Joer 1991 huet et d'LCO Lithium-Ion Batterie kommerzialiséiert. D'Konzept vun der Lithium-Ion Batterie erschéngt och zu dëser Zäit, a seng Iddi geet och bis haut weider. (Et ass derwäert ze notéieren datt Sony seng éischt Generatioun Lithium-Ion Batterien an Akira Yoshino och haart Kuelestoff als negativ Elektrode benotzen amplaz Grafit, an de Grond ass datt de PC uewendriwwer Interkalatioun a Grafit huet)

Positiv Elektrode: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6

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

Op der anerer Säit, am Joer 1978, huet den Armand, M. d'Benotzung vu Polyethylenglycol (PEO) als zolidd Polymer Elektrolyt proposéiert fir de Problem uewen ze léisen datt d'Grafitanode liicht a Léisungsmëttel PC Moleküle agebonne gëtt (den Mainstream Elektrolyt zu där Zäit nach ëmmer) benotzt PC, DEC gemëscht Léisung), déi fir d'éischte Kéier Grafit an de Lithium Batterie System gesat huet, a proposéiert d'Konzept vun der Schaukelstull Batterie (Schuppelstull) am Joer duerno. Esou e Konzept ass bis haut weidergaang. Déi aktuell Mainstream Elektrolytsystemer, wéi ED/DEC, EC/DMC, asw., sinn eréischt lues an den 1990er opgetaucht a sinn zënterhier am Asaz.

Wärend der selwechter Period hunn d'Wëssenschaftler och eng Serie vu Batterien exploréiert: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ Batterien, Li‖V〖SE〗_2 ┤ Batterien, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 Batterien, Li‖CuO,┤ Li ‖I_2 ┤Batterien, etc., well se elo manner wäertvoll sinn, an et ginn net vill Aarte vu Fuerschung, sou datt ech se net am Detail virstellen.

• Li-Ion-Batterie Etapp

D'Ära vun der Lithium-Ion Batterieentwécklung no 1991 ass déi Ära an där mir elo sinn. Hei wäert ech den Entwécklungsprozess net am Detail zesummefaassen, mee kuerz de chemesche System vun e puer Lithium-Ion Batterien virstellen.

Eng Aféierung an déi aktuell Lithium-Ion Batterie Systemer, hei ass den nächsten Deel.