Intipati bateri ialah "permainan bergerak."
Bateri litium-boleh diterangkan sama ada kompleks atau ringkas, bergantung pada cara anda melihatnya.
Pada terasnya, konsepnya mudah: tenaga kimia dan tenaga elektrik saling ditukarkan apabila ion litium berulang-alik antara elektrod positif dan negatif.
Cara Litium-Bateri Ion Berfungsi – Bilik Belajar Kimia (Tiada konsep kimia sekolah menengah yang tidak dapat dicapai!)
Anda boleh membayangkan ion litium sebagai sekumpulan "penggerak" yang rajin. Semasa pengecasan, sumber kuasa luaran mengeluarkan arahan, memandu mereka keluar dari elektrod positif; mereka bergerak melalui elektrolit dan pemisah untuk "menetap" di elektrod negatif. Semasa pelepasan, proses terbalik, dan "penggerak" ini bergerak kembali dari elektrod negatif ke elektrod positif.
Oleh kerana ion litium sentiasa "bergoyang" berulang-alik antara elektrod positif dan negatif, saintis telah memberikan-bateri litium ion nama samaran yang jelas: "bateri kerusi-goyang."
Pergerakan-dan-bolak-balik ini menyimpan keseluruhan rahsia di sebalik cara bateri-ion litium mengecas dan menyahcas.
Mengecas: "Menggembala" ion litium ke elektrod negatif untuk penyimpanan
[Imej]
Semasa mengecas, kami menyambungkan bateri ke pengecas.
Sebaik sahaja sumber kuasa luaran disambungkan, elektron pada elektrod positif adalah yang pertama bergerak; mereka "ditolak" melalui litar luaran ke arah elektrod negatif. Sebaik sahaja elektron pergi, ion litium pada elektrod positif "melompat" keluar untuk mengikutinya. Ion litium bercas positif ini melompat ke dalam elektrolit dan "berenang" melalui penggulungan, liang mikroskopik pemisah, menuju ke elektrod negatif.
Apabila mencapai elektrod negatif, ion litium tidak boleh "bergerak masuk" dengan serta-merta. Permukaan elektrod negatif dilitupi oleh lapisan tidak kelihatan yang dikenali sebagai filem SEI (Solid Electrolyte Interphase). Filem ini unik: ia membenarkan ion litium melaluinya tetapi menyekat elektron. Ion litium mesti terlebih dahulu menembusi filem ini sebelum mencari tempat yang sesuai untuk "mendap" dalam bahan elektrod negatif.
Semasa pengecasan berterusan, semakin banyak ion litium tertanam dalam elektrod negatif. Lebih banyak litium tertanam dalam elektrod negatif, lebih tinggi kapasiti bateri. Pada masa yang sama, potensi elektrod negatif secara beransur-ansur menurun manakala elektrod positif meningkat, menyebabkan voltan bateri keseluruhan meningkat secara perlahan. Sebaik sahaja kebanyakan ion litium daripada elektrod positif telah berhijrah ke elektrod negatif, proses pengecasan selesai.
Menyahcas: Ion litium "berlari kembali" untuk pergi bekerja
Pengenalan kepada Sistem Bateri Kuasa (Bahagian I): Komposisi Bahan dan Proses Caj/Nyahcas Bateri Litium-Ion – Blog CSDN
Nyahcas ialah proses menggunakan bateri dalam kehidupan seharian-menyalakan skrin telefon mudah alih atau menghidupkan kenderaan elektrik bergantung sepenuhnya pada langkah ini.
Semasa nyahcas, ion litium yang tertanam dalam elektrod negatif terlepas dan bergerak ke luar. Oleh kerana ion litium membawa cas positif, pemergiannya menyebabkan elektrod negatif kehilangan cas positif; untuk mengekalkan neutraliti elektrik, elektrod negatif mesti kehilangan elektron secara serentak. Walau bagaimanapun, elektron tidak boleh bergerak melalui bahagian dalam bateri-pemisah membenarkan ion litium melepasi tetapi menyekat elektron.
Oleh itu, elektron mesti mengambil laluan yang berbeza: bermula dari elektrod negatif, mereka bergerak melalui litar luar sehingga ke elektrod positif.
Perjalanan elektron melalui litar luaran bukan sekadar untuk menunjukkan-mereka melakukan kerja sepanjang perjalanan. Tenaga yang dibebaskan oleh elektron ini semasa mereka "bekerja" semasa transit mereka adalah yang menggerakkan skrin telefon mudah alih atau memutarkan motor kenderaan elektrik.
Dan bagaimana pula dengan ion litium? Mereka "melompat" dari elektrod negatif ke dalam elektrolit, "berenang" melintasi pemisah, dan kembali ke elektrod positif. Apabila tiba, mereka bertemu dengan elektron yang telah mengembara melalui litar luar, dan kedua-duanya bergabung semula.
Lebih banyak ion litium yang kembali ke elektrod positif, lebih besar kapasiti nyahcas bateri. Semasa proses ini, potensi elektrod negatif meningkat manakala elektrod positif jatuh, menyebabkan voltan bateri berkurangan secara beransur-ansur.
Elektron dan Ion Litium: Peranan Berbeza, Kedua-duanya Penting
Sekarang, anda mungkin telah menyedari bahawa pengendalian bateri-ion litium bergantung pada pembahagian kerja dan kerjasama antara elektron dan ion litium.
Ion litium berulang-alik di dalam bateri-bergerak ke elektrod negatif semasa pengecasan dan ke elektrod positif semasa nyahcas. Elektron bergerak melalui litar luaran-yang ditolak daripada elektrod positif ke negatif semasa pengecasan dan mengalir dari elektrod negatif ke positif untuk melakukan kerja semasa nyahcas.
Mereka berkongsi hala tuju dan matlamat yang sama tetapi menempuh laluan yang berbeza. Ion litium mengambil "laluan air" (elektrolit dan pemisah), manakala elektron mengambil "laluan darat" (litar luar). Pembahagian kerja inilah yang membolehkan bateri menyimpan dan melepaskan tenaga. Mengapa kita tidak boleh menggunakan-pengecas pantas semasa yang tinggi?
Semua orang mahukan pengecasan pantas hari ini-fikirkan telefon pintar yang menawarkan "lima minit pengecasan untuk dua jam masa bercakap" atau kenderaan elektrik yang menjanjikan "sepuluh minit pengecasan untuk jarak ratusan batu." Walau bagaimanapun, bateri litium-tidak boleh dicas dengan cepat sesuka hati.
Risiko terbesar yang dikaitkan dengan pengecasan pantas-arus tinggi ialah "penyaduran litium" pada elektrod negatif (anod).
Apakah maksud ini? Semasa pengecasan, ion litium bergerak dari elektrod positif (katod) ke elektrod negatif, melalui lapisan SEI (Solid Electrolyte Interphase) dan cari tempat untuk "menetap" dalam bahan elektrod negatif. Proses ini sememangnya sukar: ion mesti melintasi elektrolit, melalui liang kecil pemisah, menyeberangi lapisan SEI, dan akhirnya mencari tempat yang sesuai di dalam bahan elektrod negatif.
Jika arus pengecasan terlalu tinggi, ion litium menyerbu masuk terlalu cepat untuk mencari "katil" yang sesuai di elektrod negatif. Ion yang gagal untuk membenamkan diri mereka dalam masa hanya bertimbun di permukaan elektrod negatif, membentuk lapisan litium metalik kelabu.
Perbincangan mengenai mekanisme pembentukan dan pencegahan dendrit litium – Bateri Litium – Bateri China
Lapisan litium logam ini boleh tumbuh menjadi-seperti hablur pokok yang dikenali sebagai "dendrit litium." Dendrit litium berbahaya; mereka boleh menusuk pemisah, menyebabkan sentuhan langsung antara elektrod positif dan negatif dan mengakibatkan litar pintas dalaman. Litar pintas menyebabkan suhu bateri meningkat; pemisah cair dan mengecut dalam haba yang tinggi, berpotensi membawa kepada kebakaran atau bahkan letupan.
Oleh itu, anda tidak boleh meningkatkan arus pengecasan dengan sewenang-wenangnya. Faktor seperti kadar resapan bahan elektrod negatif, kepekatan elektrolit, dan keliangan pemisah semuanya mengehadkan kelajuan ion litium berhijrah. Mana-mana langkah yang paling perlahan menjadi kesesakan, dan kesesakan ini biasanya terletak pada elektrod negatif.
Di manakah "tumit Achilles" bateri?
Sebaik sahaja anda memahami prinsip asas, anda akan menyedari bahawa banyak masalah dengan bateri-ion litium berpunca daripada proses "pindah rumah" ini:
Kapasiti pudar: Apabila bahan elektrod positif dan negatif berulang kali "menjadi tuan rumah" ion litium dari semasa ke semasa, strukturnya boleh runtuh dan laluan boleh disekat, menyebabkan lebih sedikit "katil" tersedia untuk menampung ion.
Kehilangan kuasa dalam suhu rendah: Apabila suhu menurun, elektrolit menjadi lebih likat, menyukarkan ion litium untuk "berenang" melaluinya.
Pengecasan pantas merosakkan bateri: Arus tinggi menghalang ion litium daripada "mendaftar masuk" dengan cukup cepat, menyebabkan ia terkumpul di permukaan dan membentuk penyaduran litium. Lapisan SEI ialah -pedang bermata dua: sementara ia melindungi anod daripada degradasi oleh elektrolit, pembentukannya menggunakan sebahagian daripada ion litium, mengakibatkan kehilangan kapasiti semasa pengecasan awal.
Akhirnya, teknologi bateri-ion litium adalah tentang mencapai keseimbangan antara kelajuan dan keselamatan, serta antara kapasiti dan jangka hayat. Pengecasan pantas memerlukan risiko penyaduran litium; memaksimumkan kapasiti memerlukan menampung lebih banyak ion litium, namun kesesakan yang berlebihan boleh menjejaskan kestabilan struktur.
Sedikit Fikiran
Bateri litium-telah bersama kami selama beberapa dekad, membekalkan kuasa kepada segala-galanya daripada telefon mudah alih hingga kenderaan elektrik, dan menskalakan daripada beberapa watt-jam kepada ratusan kilowatt-jam. Namun, prinsip asas tetap tidak berubah: ion litium berulang-alik antara katod dan anod, manakala elektron melakukan kerja melalui litar luaran.
Apa yang benar-benar berkembang ialah bahan katod dan anod, formulasi elektrolit dan teknologi kawalan lapisan SEI-semuanya bertujuan untuk menjadikan litium-"perjalanan ulang-alik" lebih pantas, lebih stabil dan lebih selamat.
Sumber: Internet
Editor: Xiao Ai
Call for Papers: Sebagai platform perkhidmatan terkemuka untuk-industri pembuatan termaju berteknologi tinggi, AMT mengalu-alukan penyerahan kertas akademik. Penerbitan adalah percuma sepenuhnya dan bukan-keuntungan. E-mel penyerahan: info@amtbbs.org
Notis Hak Cipta: AMT menghormati hak cipta dan menghargai kerja keras dan kreativiti setiap pengarang. Kecuali karya dengan asal usul yang tidak dapat dikesan, kami memetik sumber pada akhir setiap artikel. Jika sebarang kandungan-termasuk artikel, video, imej atau teks-melibatkan isu hak cipta, sila hubungi kami dengan segera. Selepas pengesahan pemilikan melalui dokumentasi yang disediakan, kami akan segera mengalih keluar kandungan atau membayar imbuhan mengikut piawaian kebangsaan.
