L'origen del dispositiu de la bateria pot començar amb el descobriment de l'ampolla de Leiden. L'ampolla de Leiden va ser inventada per primera vegada pel científic holandès Pieter van Musschenbroek l'any 1745. El pot de Leiden és un dispositiu de condensador primitiu. Està compost per dues làmines metàl·liques separades per un aïllant. La vareta metàl·lica de dalt s'utilitza per emmagatzemar i alliberar càrrega. Quan toqueu la vareta Quan s'utilitza la bola metàl·lica, l'ampolla de Leiden pot mantenir o eliminar l'energia elèctrica interna, i el seu principi i preparació són senzills. Qualsevol persona interessada pot fer-la sol a casa, però el seu fenomen d'autodescàrrega és més greu per la seva senzilla guia. En general, tota l'electricitat es descarregarà en poques hores a uns quants dies. No obstant això, l'aparició de l'ampolla de Leiden marca una nova etapa en la recerca de l'electricitat.
A la dècada de 1790, el científic italià Luigi Galvani va descobrir l'ús de filferros de zinc i coure per connectar les potes de granota i va trobar que les potes de granota es sacsejaven, així que va proposar el concepte de "bioelectricitat". Aquest descobriment va provocar una contracció del científic italià Alessandro. L'objecció de Volta, Volta creu que la contracció de les potes de la granota prové del corrent elèctric generat pel metall en lloc del corrent elèctric de la granota. Per refutar la teoria de Galvani, Volta va proposar el seu famós Volta Stack. La pila voltaica consta de làmines de zinc i coure amb cartró remullat en aigua salada entremig. Aquest és el prototip d'una bateria química proposat.
L'equació de reacció de l'elèctrode d'una cèl·lula voltaica:
elèctrode positiu: 2H^++2e^-→H_2
elèctrode negatiu: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
El 1836, el científic britànic John Frederic Daniell va inventar la bateria Daniel per resoldre el problema de les bombolles d'aire a la bateria. La bateria Daniel té la forma principal d'una bateria química moderna. Consta de dues parts. La part positiva es submergeix en una solució de sulfat de coure. L'altra part del coure és zinc immers en una solució de sulfat de zinc. La bateria Daniel original es va omplir amb una solució de sulfat de coure en un pot de coure i es va inserir un recipient cilíndric porós de ceràmica al centre. En aquest recipient de ceràmica, hi ha una vareta de zinc i sulfat de zinc com a elèctrode negatiu. A la solució, els petits forats del recipient de ceràmica permeten que les dues claus intercanviin ions. Les bateries Daniel modernes utilitzen principalment ponts de sal o membranes semipermeables per aconseguir aquest efecte. Les bateries Daniel s'utilitzaven com a font d'energia per a la xarxa telegràfica fins que les bateries seques les substituïen.
L'equació de reacció de l'elèctrode de la bateria Daniel:
Elèctrode positiu: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu
elèctrode negatiu: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Fins ara, s'ha determinat la forma principal de la bateria, que inclou l'elèctrode positiu, l'elèctrode negatiu i l'electròlit. Sobre aquesta base, les bateries han experimentat un ràpid desenvolupament en els propers 100 anys. Han aparegut molts sistemes de bateries nous, inclòs el científic francès Gaston Planté va inventar les bateries de plom-àcid l'any 1856. Bateries de plom-àcid El seu gran corrent de sortida i el seu baix preu han cridat una gran atenció, de manera que s'utilitza en molts dispositius mòbils, com els primers elèctrics. vehicles. Sovint s'utilitza com a font d'alimentació de seguretat per a alguns hospitals i estacions base. Les bateries de plom-àcid es componen principalment de plom, diòxid de plom i solució d'àcid sulfúric, i la seva tensió pot arribar a uns 2 V. Fins i tot en els temps moderns, les bateries de plom-àcid no s'han eliminat a causa de la seva tecnologia madura, preus baixos i sistemes basats en aigua més segurs.
L'equació de reacció de l'elèctrode de la bateria de plom-àcid:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Elèctrode negatiu: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
La bateria de níquel-cadmi, inventada pel científic suec Waldemar Jungner el 1899, s'utilitza més en petits dispositius electrònics mòbils, com els primers walkmans, a causa de la seva densitat d'energia més alta que les bateries de plom-àcid. Similar a les bateries de plom-àcid. Les bateries de níquel-cadmi també s'han utilitzat àmpliament des de la dècada de 1990, però la seva toxicitat és relativament alta i la pròpia bateria té un efecte de memòria específic. És per això que sovint escoltem a alguns adults grans que diuen que la bateria s'ha de descarregar completament abans de recarregar-la i que les bateries residuals contaminaran el terreny, etc. (Tingueu en compte que fins i tot les bateries actuals són molt tòxiques i no s'han de descartar a tot arreu, però les bateries de liti actuals no tenen avantatges de memòria i la descàrrega excessiva és perjudicial per a la durada de la bateria.) Les bateries de níquel-cadmi són més perjudicials per al medi ambient, i els seus la resistència interna canviarà amb la temperatura, cosa que pot causar danys a causa d'un corrent excessiu durant la càrrega. Les bateries de níquel-hidrogen el van eliminar gradualment al voltant de l'any 2005. Fins ara, les bateries de níquel-cadmi poques vegades es veuen al mercat.
Equació de reacció de l'elèctrode de la bateria de níquel-cadmi:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Elèctrode negatiu: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
A la dècada de 1960, la gent finalment va entrar oficialment a l'era de les bateries de liti.
El metall de liti es va descobrir l'any 1817 i la gent aviat es va adonar que les propietats físiques i químiques del metall s'utilitzen inherentment com a materials per a bateries. Té una densitat baixa (0.534 g 〖cm〗^(-3)), una gran capacitat (teòrica fins a 3860 mAh g^(-1)) i un potencial baix (-3.04 V en comparació amb l'elèctrode d'hidrogen estàndard). Aquests gairebé estan dient a la gent que sóc el material d'elèctrode negatiu de la bateria ideal. Tanmateix, el metall de liti en si té grans problemes. És massa actiu, reacciona violentament amb l'aigua i té uns requisits elevats en l'entorn operatiu. Per tant, durant molt de temps, la gent va estar indefensa amb això.
L'any 1913, Lewis i Keyes van mesurar el potencial de l'elèctrode de metall de liti. I va realitzar una prova de bateria amb iodur de liti en solució de propilamina com a electròlit, tot i que va fallar.
El 1958, William Sidney Harris va esmentar a la seva tesi doctoral que va posar liti metàl·lic en diferents solucions d'èster orgànic i va observar la formació d'una sèrie de capes de passivació (incloent-hi el liti metàl·lic en àcid perclòric). Liti LiClO_4
El fenomen de la solució de PC de carbonat de propilè, i aquesta solució és un sistema d'electròlits vital en bateries de liti en el futur), i s'ha observat un fenomen específic de transmissió d'ions, de manera que s'han fet alguns experiments d'electrodeposició preliminars basats en això. Aquests experiments van conduir oficialment al desenvolupament de bateries de liti.
El 1965, la NASA va realitzar un estudi en profunditat sobre els fenòmens de càrrega i descàrrega de les bateries de Li||Cu en solucions de PC de perclorat de liti. Altres sistemes electròlits, incloent l'anàlisi de LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Aquesta investigació ha despertat un gran interès en els sistemes d'electròlits orgànics.
El 1969, una patent va demostrar que algú havia començat a tractar de comercialitzar bateries de solució orgànica utilitzant metalls de liti, sodi i potassi.
L'any 1970, la Panasonic Corporation del Japó va inventar la bateria Li‖CF_x ┤, on la relació de x és generalment de 0.5-1. CF_x és un fluorocarboni. Tot i que el gas fluor és altament tòxic, el fluorocarbur en si és una pols no tòxica de color blanc brut. Es pot dir que l'aparició de la bateria Li‖CF_x ┤ és la primera bateria de liti comercial real. La bateria Li‖CF_x ┤ és una bateria primària. Tot i així, la seva capacitat és enorme, la capacitat teòrica és de 865 mAh 〖Kg〗^(-1) i la seva tensió de descàrrega és molt estable a llarg abast. Per tant, la potència és estable i el fenomen d'autodescàrrega petit. Però té un rendiment abismal i no es pot carregar. Per tant, generalment es combina amb diòxid de manganès per fer bateries Li‖CF_x ┤-MnO_2, que s'utilitzen com a bateries internes per a alguns sensors petits, rellotges, etc., i no s'han eliminat.
Elèctrode positiu: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Elèctrode negatiu: Li→〖Li〗^++e^-
L'any 1975, la corporació japonesa Sanyo va inventar la bateria Li‖MnO_2 ┤, utilitzada per primera vegada en calculadores solars recarregables. Aquesta es pot considerar com la primera bateria de liti recarregable. Tot i que aquest producte va tenir un gran èxit al Japó en aquell moment, la gent no coneixia a fons aquest material i no coneixia el seu diòxid de liti i manganès. Quin tipus de motiu hi ha darrere de la reacció?
Gairebé al mateix temps, els nord-americans buscaven una bateria reutilitzable, que ara anomenem bateria secundària.
El 1972, MBArmand (els noms d'alguns científics no es van traduir al principi) va proposar en un document de conferència M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (on M és un metall alcalí) i altres materials amb una estructura blava de Prussia. , I va estudiar el seu fenomen d'intercalació d'ions. I el 1973, J. Broadhead i altres de Bell Labs van estudiar el fenomen d'intercalació dels àtoms de sofre i iode en dicalcogenurs metàl·lics. Aquests estudis preliminars sobre el fenomen d'intercalació iònica són el motor més important per al progrés gradual de les bateries de liti. La investigació original és precisa a causa d'aquests estudis que posteriorment es fan possibles les bateries d'ió de liti.
El 1975, Martin B. Dines d'Exxon (el predecessor d'Exxon Mobil) va realitzar càlculs preliminars i experiments sobre la intercalació entre una sèrie de dicalcogenurs de metalls de transició i metalls alcalins i el mateix any, Exxon va ser un altre nom El científic MS Whittingham va publicar una patent. a la piscina Li‖TiS_2 ┤. I el 1977, Exoon va comercialitzar una bateria basada en Li-Al‖TiS_2┤, en la qual l'aliatge de liti-alumini pot millorar la seguretat de la bateria (tot i que encara hi ha un risc més important). Després d'això, aquests sistemes de bateries han estat utilitzats successivament per Eveready als Estats Units. Comercialització de Battery Company i Grace Company. La bateria Li‖TiS_2 ┤ pot ser la primera bateria secundària de liti en el veritable sentit, i també era el sistema de bateria més calent en aquell moment. En aquell moment, la seva densitat d'energia era aproximadament 2-3 vegades la de les bateries de plom-àcid.
Elèctrode positiu: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Elèctrode negatiu: Li→〖Li〗^++e^-
Al mateix temps, el científic canadenc MA Py va inventar la bateria Li‖MoS_2┤ l'any 1983, que pot tenir una densitat d'energia de 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) a 1/3C, que és equivalent a Li‖TiS_2┤ pila. A partir d'això, l'any 1987, l'empresa canadenca Moli Energy va llançar una bateria de liti realment àmpliament comercialitzada, que va ser molt sol·licitada a tot el món. Aquest hauria d'haver estat un fet històricament significatiu, però la ironia és que també està provocant la decadència de Moli després. Aleshores, a la primavera de 1989, Moli Company va llançar els seus productes de bateries Li‖MoS_2┤ de segona generació. A finals de la primavera de 1989, el producte de bateria Li‖MoS_2┤ de primera generació de Moli va explotar i va provocar un pànic a gran escala. A l'estiu del mateix any es van retirar tots els productes i es van indemnitzar les víctimes. A finals del mateix any, Moli Energy es va declarar en fallida i va ser adquirida per la japonesa NEC a la primavera de 1990. Val a dir que es rumoreja que Jeff Dahn, un científic canadenc de l'època, liderava el projecte de bateries a Moli. Energy i va renunciar a causa de la seva oposició a la llista continuada de bateries Li‖MoS_2 ┤.
Elèctrode positiu: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Elèctrode negatiu: Li→〖Li〗^++e^-
Fins ara, les bateries de liti metàl·lic han anat deixant la vista del públic a poc a poc. Podem veure que durant el període de 1970 a 1980, la investigació dels científics sobre les bateries de liti es va centrar principalment en els materials de càtode. L'objectiu final se centra invariablement en els dicalcogenurs de metalls de transició. A causa de la seva estructura en capes (ara s'estudien àmpliament els dicalcogenurs de metalls de transició com a material bidimensional), les seves capes i hi ha prou espais entre les capes per acomodar la inserció d'ions de liti. En aquell moment, hi havia massa poca investigació sobre els materials de l'ànode durant aquest període. Tot i que alguns estudis s'han centrat en l'aliatge de metall de liti per millorar la seva estabilitat, el metall de liti en si és massa inestable i perillós. Encara que l'explosió de la bateria de Moli va ser un esdeveniment que va impactar el món, hi ha hagut molts casos d'explosió de bateries de liti metall.
A més, la gent no coneixia molt bé la causa de l'explosió de les bateries de liti. A més, el metall de liti abans es va considerar un material d'elèctrode negatiu insubstituïble a causa de les seves bones propietats. Després de l'explosió de la bateria de Moli, l'acceptació de la gent de les bateries de metall de liti va caure en picat i les bateries de liti van entrar en un període fosc.
Per tenir una bateria més segura, la gent ha de començar amb el material nociu de l'elèctrode. Tot i així, hi ha una sèrie de problemes aquí: el potencial del metall de liti és poc profund i l'ús d'altres elèctrodes negatius compostos augmentarà el potencial de l'elèctrode negatiu i, d'aquesta manera, les bateries de liti es reduirà la diferència de potencial general, cosa que reduirà. la densitat energètica de la tempesta. Per tant, els científics han de trobar el material càtode d'alta tensió corresponent. Al mateix temps, l'electròlit de la bateria ha de coincidir amb les tensions positives i negatives i l'estabilitat del cicle. Al mateix temps, la conductivitat de l'electròlit i la resistència a la calor és millor. Aquesta sèrie de preguntes va desconcertar els científics durant molt de temps per trobar una resposta més satisfactòria.
El primer problema que han de resoldre els científics és trobar un material d'elèctrode segur i nociu que pugui substituir el metall de liti. El metall de liti en si té massa activitat química i una sèrie de problemes de creixement de dendrites han estat massa durs amb l'entorn i les condicions d'ús, i no és segur. El grafit és ara el cos principal de l'elèctrode negatiu de les bateries d'ions de liti, i la seva aplicació a les bateries de liti ja s'ha estudiat l'any 1976. El 1976, Besenhard, JO va realitzar un estudi més detallat sobre la síntesi electroquímica de LiC_R. No obstant això, tot i que el grafit té excel·lents propietats (alta conductivitat, gran capacitat, baix potencial, inercia, etc.), en aquell moment, l'electròlit utilitzat a les bateries de liti és generalment la solució de PC de LiClO_4 esmentada anteriorment. El grafit té un problema important. En absència de protecció, les molècules d'electròlit PC també entraran a l'estructura de grafit amb la intercalació d'ions de liti, donant lloc a una disminució del rendiment del cicle. Per tant, el grafit no era afavorit pels científics en aquell moment.
Pel que fa al material del càtode, després de la investigació de l'etapa de la bateria de liti metàl·lic, els científics van trobar que el material de l'ànode de litiació també és un material d'emmagatzematge de liti amb bona reversibilitat, com ara LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) i així successivament, i sobre aquesta base, s'han desenvolupat 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 i altres materials. I els científics s'han familiaritzat gradualment amb diversos canals iònics unidimensionals (1D), intercalació iònica en capes bidimensionals (1D) i estructures de xarxa de transmissió d'ions tridimensionals.
La investigació més famosa del professor John B. Goodenough sobre LiCoO_2 (LCO) també es va produir en aquest moment. El 1979, Goodenougd et al. es van inspirar en un article sobre l'estructura de NaCoO_2 el 1973 i van descobrir LCO i van publicar un article de patent. LCO té una estructura d'intercalació en capes similar als disulfurs de metalls de transició, en què els ions de liti es poden inserir i extreure de manera reversible. Si els ions de liti s'extreuen completament, es formarà una estructura compacta de CoO_2 i es pot tornar a inserir amb ions de liti per al liti (per descomptat, una bateria real no permetrà extreure completament els ions de liti, cosa que farà que la capacitat decai ràpidament). El 1986, Akira Yoshino, que encara treballava a Asahi Kasei Corporation al Japó, va combinar per primera vegada els tres de la solució de PC LCO, coca-cola i LiClO_4, convertint-se en la primera bateria secundària moderna d'ions de liti i convertint-se en el liti actual La pedra angular de la bateria. Sony es va adonar ràpidament de la patent LCO del vell "prou bo" i va obtenir autorització per utilitzar-la. El 1991, va comercialitzar la bateria d'ions de liti LCO. El concepte de bateria d'ions de liti també va aparèixer en aquest moment, i la seva idea també continua fins als nostres dies. (Val la pena assenyalar que les bateries d'ions de liti de primera generació de Sony i Akira Yoshino també utilitzen carboni dur com a elèctrode negatiu en lloc de grafit, i el motiu és que l'ordinador anterior té intercalació en grafit)
Elèctrode positiu: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Elèctrode negatiu: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
D'altra banda, el 1978, Armand, M. va proposar l'ús de polietilenglicol (PEO) com a electròlit de polímer sòlid per resoldre el problema anterior que l'ànode de grafit s'incorpora fàcilment a les molècules de PC de dissolvent (l'electròlit principal en aquell moment encara encara). utilitza una solució mixta PC, DEC), que va posar grafit al sistema de bateries de liti per primera vegada i va proposar el concepte de bateria de cadira de balancí (cadira de balancí) l'any següent. Aquest concepte ha continuat fins al present. Els sistemes d'electròlits actuals, com ara ED/DEC, EC/DMC, etc., només van aparèixer lentament a la dècada de 1990 i s'han utilitzat des de llavors.
Durant el mateix període, els científics també van explorar una sèrie de bateries: bateries Li‖Nb〖Se〗_3 ┤, bateries Li‖V〖SE〗_2 ┤, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ bateries O_11, bateries Li‖CuO, Li ‖I_2 ┤Piles, etc., perquè ara són menys valuoses, i no hi ha molts tipus d'investigació per tal que no les introduiré en detall.
L'era del desenvolupament de bateries d'ions de liti després de 1991 és l'era en què ens trobem ara. Aquí no resumiré el procés de desenvolupament en detall, sinó que presentaré breument el sistema químic d'unes poques bateries d'ions de liti.
Una introducció als sistemes actuals de bateries d'ions de liti, aquí teniu la següent part.
anterior: Bateria de liti de bicicleta elèctrica
respon en 6 hores, qualsevol pregunta és benvinguda!
