Designbasis von Lithium--Ionenbatterien
Grundlegende Designprinzipien
Das Batteriedesign muss auf den spezifischen Anforderungen des elektrischen Geräts und den Eigenschaften des Geräts basierenBatterieselbst. Zunächst müssen die technischen Parameter jeder Komponente, einschließlich Elektroden, Elektrolyt, Separator und Gehäuse, klar definiert werden. Darüber hinaus müssen die Parameter des Herstellungsprozesses genau angepasst werden, um sicherzustellen, dass der endgültige Batteriesatz die vorgegebenen Spezifikationen und Leistungsindikatoren (wie Spannung, Kapazität und Volumen) erfüllt. Ein vernünftiges und effektives Design ist entscheidend für die Verbesserung der Batterieleistung im tatsächlichen Gebrauch. Daher ist es besonders wichtig, während des gesamten Designprozesses die optimale Lösung zu verfolgen.
Designanforderungen
Beim Batteriedesign ist es wichtig, die spezifischen Anforderungen des Zielgeräts an die Batterieleistungsparameter und seine Betriebsumgebung vollständig zu verstehen. Im Allgemeinen sollten die folgenden Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden:
(1) Batteriebetriebsspannung.
(2) Batteriebetriebsstrom, dh normaler Entladestrom und Spitzenstrom.
(3) Batteriebetriebszeit, einschließlich kontinuierlicher Entladezeit, Nutzungsdauer oder Zyklenlebensdauer.
(4) Betriebsumgebung der Batterie, einschließlich Umgebungstemperatur usw.
(5) Maximal zulässiges Batterievolumen.
Lithium-Ionenbatterien werden aufgrund ihrer hervorragenden Leistung häufig verwendet. Bei bestimmten Anwendungen müssen sie jedoch eine Reihe zusätzlicher Anforderungen erfüllen, wie z. B. die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen, die Anpassung an extreme Temperaturen und den Betrieb in Umgebungen mit niedrigem-Druck. Beim Entwurf dieser Batterien müssen neben der Berücksichtigung dieser grundlegenden physikalischen Eigenschaften auch Faktoren wie die Auswahl der Rohstoffe, Schlüsselfaktoren für die Batterieeigenschaften, Gesamtleistung, Herstellungsprozesse, Kosten-Nutzen-Analyse und Betriebstemperatur umfassend berücksichtigt werden.
Schlüsselindikatoren zur Bewertung der Leistung von Power-Batterien
Die Batterieleistung wird im Allgemeinen anhand der folgenden Aspekte bewertet:
1) Kapazität
Unter Batteriekapazität versteht man die Gesamtstrommenge, die eine Batterie unter bestimmten Entladebedingungen liefern kann. Dieses Konzept wird normalerweise als Produkt aus Strom und Zeit ausgedrückt und im Allgemeinen in Ampere-Stunden (Ah) gemessen. Dieser Parameter hat direkten Einfluss auf den maximalen Betriebsstrom der Batterie und die Dauer des Dauerbetriebs.
2) Entladungseigenschaften und Innenwiderstand
Die Entladeeigenschaften der Batterie spiegeln die Stabilität ihrer Ausgangsspannung, das Spannungsplateau und ihre Hochstrom-Entladeleistung unter bestimmten Bedingungen wider. Dies sind wichtige Indikatoren zur Messung der Belastbarkeit der Batterie. Darüber hinaus gibt es innerhalb der Batterie zwei Arten von Widerständen: den ohmschen Innenwiderstand und den Polarisationsinnenwiderstand. Diese beiden Arten von Innenwiderständen haben einen besonders großen Einfluss auf die Gesamtentladungsleistung bei Hochstromentladungen.
3) Betriebstemperaturbereich
Um einen stabilen Betrieb elektrischer Geräte unter verschiedenen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten, müssen Batterien innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs eine gute Leistung beibehalten.
4) Speicherleistung
Nach einer bestimmten Lagerzeit kann sich die Leistung der Batterie aufgrund verschiedener Faktoren ändern, was zu Selbstentladung, Elektrolytaustritt, Kurzschlüssen usw. führen und somit die Leistung beeinträchtigen kann.
5) Zyklusleistung
Die Zyklusleistung bezieht sich auf die Anzahl der Lade-{0}}Entladezyklen, die eine Sekundärbatterie unter bestimmten Lade--Entladeregeln aushalten kann, bis ihre Leistung auf ein vorgegebenes Niveau abfällt. Es ist einer der wichtigen Indikatoren zur Beurteilung der Langzeitzuverlässigkeit einer Batterie.
6) Sicherheitsmerkmale
Die Batteriesicherheit spiegelt sich hauptsächlich in ihrem Sicherheitsniveau unter anormalen Nutzungsbedingungen wider. Zu diesen anormalen Nutzungsbedingungen gehören Überladung, Kurzschlüsse, Nageldurchdringungstests, Drucktests, Hitzeeinwirkung, Stöße schwerer Gegenstände und Vibrationen. Die Fähigkeit der Batterie, diesen extremen Bedingungen standzuhalten, ist einer der Schlüsselfaktoren für ihre Eignung für groß angelegte Anwendungen.
Ausrüstung zur Herstellung und Charakterisierung von positiven und negativen Elektrodenmaterialien
Vorbereitung
Positive und negative Elektrodenmaterialien sind Schlüsselkomponenten von Lithium-Ionen-Batterien, beispielsweise positive Elektroden wie LFePO4 oder LiCoO2 und negative Elektroden wie Graphit oder Silizium/Kohlenstoff. Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche Vorbereitungsmethoden. In diesem Abschnitt werden ternäre positive Elektrodenmaterialien als Beispiel verwendet, um die für den Herstellungsprozess erforderliche Ausrüstung vorzustellen.
Charakterisierung
Die Hauptmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien, wie beispielsweise positive und negative Elektrodenmaterialien, sind allesamt elektrochemische Funktionsmaterialien, die die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien erheblich beeinflussen. Bei der Materialproduktion und -entwicklung sowie der Batterieherstellung und -anwendung sind relativ viele technische Indikatoren zu berücksichtigen, sie lassen sich jedoch hauptsächlich in drei Kategorien einteilen: Die erste Kategorie ist die Kristallstruktur und Mikrostruktur des Materials; Die zweite Kategorie sind die physikalisch-chemischen Indikatoren des Materials, einschließlich Partikelgrößenverteilung, spezifischer Oberfläche, Klopfdichte und Elementzusammensetzung (einschließlich Verunreinigungen); und die dritte Kategorie sind die elektrochemischen Leistungsmerkmale des Materials, wie z. B. Kapazität, Anfangseffizienz und elektrochemische Impedanz. Die Erkennung und Charakterisierung verschiedener Indikatoren für die Hauptmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien ist von großer Bedeutung für die Materialforschung und -entwicklung, die Produktionskontrolle und die Qualitätssicherung.
Ausrüstung zur Herstellung von Lithium--Knopfbatterien
Eine Knopfzelle, auch Knopfzelle oder Halbzelle genannt, verwendet typischerweise Lithiummetall als negative Elektrode und ein positives Elektrodenmaterial als positive Elektrode; oder Lithiummetall als positive Elektrode und ein negatives Elektrodenmaterial als negative Elektrode. Seine geringe Größe, der geringe Materialverbrauch bei der Elektrodenherstellung und die hohe Flexibilität machen es zu einem wichtigen Gerät für die Entwicklung und Prüfung aktiver Materialien für Lithium-Ionen-Batterien.
Zu den in der Elektrodenherstellungsphase benötigten Materialien und Reagenzien gehören positive und negative Elektrodenmaterialien, Leitmittel, Bindemittel und Stromabnehmer. Zunächst werden die aktiven Materialien, Leitmittel und Bindemittel der positiven und negativen Elektrode durch manuelles Mahlen oder mechanische Homogenisierung gleichmäßig in einem bestimmten Verhältnis gemischt. Anschließend wird die resultierende Aufschlämmung auf den entsprechenden Stromkollektor aufgetragen. Bei der Laborbeschichtung wird die Beschichtungsmethode anhand der Schlickermenge bestimmt. Für größere Aufschlämmungen wird eine kleine Beschichtungsmaschine verwendet (Abbildung (a)); Bei kleineren Aufschlämmungen wird für die manuelle Beschichtung ein Filmbildungsgerät verwendet (Abbildung (b)). Anschließend wird die Elektrode im Trockenofen getrocknet und durch Walzenpressen verdichtet. Beim Schneiden wird die Elektrode präzise in kreisförmige Stücke geschnitten. Im Allgemeinen wird die walzengepresste Elektrode zwischen Wägepapier eingespannt und auf eine Stanzmaschine gelegt, um schnell kleine Elektrodenstücke auszustanzen. Der Durchmesser der kleinen Elektrodenstücke kann durch die Stanzmatrizengröße der Stanzmaschine angepasst werden.
