Batareya hüceyrəsi nədir?
Hüceyrə quruluşu
"Hüceyrə" kimi də tanınan tək batareya, batareya sisteminin ən kiçik vahididir. O, əsasən, Şəkil 7-1-də göstərildiyi kimi katoddan (Katod Elektrodu), anoddan (Anod Elektrodu), elektrolitdən (Elektrolit), separatordan (Separator) və korpusdan (Case) ibarətdir.
Litium{0}}ion hüceyrəsinin elektrod təbəqəsi əsasən dörd hissədən ibarət olan kompozit material kimi təsnif edilə bilər:
1) Litium ionlarını interkalasiya edən və ya deinterkalasiya edən aktiv material hissəcikləri; katod hissəcikləri litium mənbəyini təmin edir, anod hissəcikləri isə litium ionlarını qəbul edir.
2) Keçirici maddə ilə cərəyan kollektorunun qarışığından əmələ gələn keçirici faza (karbon gel fazası), bağlayıcı birləşdirmə funksiyasını yerinə yetirir; örtük elektronları cari kollektor və keçirici agent vasitəsilə keçirir.
3) Elektrod təbəqəsi daxilində litium{1}}ionunun nəqli üçün kanal kimi xidmət edən elektrolitlə dolu məsamələr.
4) Cari kollektor.
Elektrokimyəvi proses zamanı elektrod örtüyü əsasən aşağıdakı 4 prosesi əhatə edir:
1) Elektron nəqli.
2) İon nəqli.
3) Elektrolit/elektrod hissəcikləri interfeysində yük mübadiləsi, yəni elektrokimyəvi reaksiya.
4) Litium ionlarının bərk faza daxilində diffuziyası. Elektrod təbəqəsinin mikro strukturunda hissəciklərin ölçüsü və paylanması litium{2}}ionunun diffuziya yoluna və elektrokimyəvi reaksiyanın xüsusi səth sahəsinə təsir göstərir; məsamələrin ölçüsü və paylanması elektrolitin daşınma prosesinə təsir göstərir; məsaməlilik aktiv materialın miqdarına və elektrokimyəvi reaksiyanın xüsusi səth sahəsinə təsir göstərir. Bütün bu mikrostruktur xüsusiyyətlər nəticədə batareyanın işinə təsir göstərir.
Katod quruluşu
Hüceyrə katodu əsasən LiCoO₂, keçirici agent, bağlayıcı (PVDF) və cərəyan kollektoru () kimi katod materiallarından ibarətdir.alüminium folqa), Şəkil 7-2-də göstərildiyi kimi.
Litium{0}}ion batareyaları üçün katod cərəyanı kollektoru adətən alüminium folqa, anod cərəyan kollektoru isəmis folqa. Akkumulyatorun içərisindəki cari kollektorun dayanıqlığını təmin etmək üçün hər ikisinin təmizliyi 98%-dən yuxarı olmalıdır. Litium{3}}ion batareyalarının katod üçün alüminium folqa və anod üçün mis folqa istifadə etməsinin səbəbləri aşağıdakı 3 məqamdır:
1)Mis və alüminium yaxşı elektrik keçiriciliyinə, yumşaq toxumasına və aşağı qiymətə malikdir. Litium{2}}ion batareyasının iş prinsipi kimyəvi enerjini elektrik enerjisinə çevirən elektrokimyəvi cihazdır. Bu prosesdə kimyəvi enerjini elektrik enerjisinə ötürmək üçün bir mühit tələb olunur ki, bu da keçirici material tələb edir. Ümumi materiallar arasında metallar ən yaxşı elektrik keçiriciliyinə malikdir və metallar arasında mis və alüminium həm əla keçiricilik, həm də mis folqa və alüminium folqa şəklində nisbətən aşağı qiymət təklif edir. Litium{6}}ion batareyalarında əsasən iki emal üsulu var: sarma və yığma. Yığma ilə müqayisədə, sarma, sarma zamanı elektrod təbəqələrinin kövrək olmamasını və qırılmamasını təmin etmək üçün batareyanı hazırlamaq üçün istifadə olunan elektrod təbəqələrinin müəyyən bir elastikliyə malik olmasını tələb edir. Metal materiallar arasında mis və alüminium folqa yumşaq, nisbətən sərt mis/alüminium folqa bahalı, mis və alüminium folqa nisbətən ucuz, mis və alüminium ehtiyatları bütün dünyada boldur.
2)Mis və alüminium folqa da havada nisbətən sabitdir. Alüminium havadakı oksigenlə asanlıqla kimyəvi reaksiyaya girərək səthdə sıx bir oksid filmi meydana gətirir və alüminiumun sonrakı reaksiyasının qarşısını alır. Mis/alüminiumun bu oksid filmi elektrolitdəki alüminiuma da müəyyən qoruyucu təsir göstərir. Mis özü havada nisbətən sabitdir və əsasən quru havada kimyəvi reaksiyalara məruz qalmır.
3) Litium ion batareyalarının katod və anod potensialları müəyyən edir ki, katod üçün alüminium folqa, anod üçün isə mis folqa istifadə olunur və onları dəyişdirmək mümkün deyil. Katod potensialı yüksəkdir və mis folqa yüksək potensialda asanlıqla oksidləşir, alüminium isə yüksək oksidləşmə potensialına və səth təbəqəsində sıx bir oksid filminə malikdir, bu da daxili alüminiumu yaxşı qoruyur.
Metal alüminiumun kristal qəfəsində mis və alüminium Li ilə oxşar ölçülərə malikdir və LiAl kimi Li ilə asanlıqla intermetal birləşmələr yarada bilər. Li və Al yalnız LiAl kimyəvi formulu ilə ərinti əmələ gətirə bilməz, həm də Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al və Li₂Al ərintisi təbəqələri yarada bilər. Bu ərinti təbəqələri böyük miqdarda Li istehlak edir və Al-ın özünün strukturuna və morfologiyasına zərər verir, ona görə də o, litium{2}}ion batareyalarının anod cərəyanı kollektoru kimi istifadə edilə bilməz; Cu batareyanın boşaldılması zamanı çox az həll olunaraq-konstruktiv və elektrokimyəvi sabitliyi qoruyur, bu da onu litium-ion batareyaları üçün anod cərəyan kollektoru kimi uyğun edir. 3.5V-də mis folqa üçün polarizasiya cərəyanı əhəmiyyətli dərəcədə artmağa başlayır və xətti olaraq yüksəlir, intensiv oksidləşmə ilə Cu da batareyada həll olunmağa başlayır; alüminium folqa üçün isə bütün polarizasiya potensialı diapazonunda qütbləşmə cərəyanı kiçik və sabitdir, heç bir aşkar korroziya hadisələri müşahidə edilmir, elektrokimyəvi sabitliyi qoruyur. Litium ion batareyalarının katod potensial diapazonunda Al-ın həll olunma miqdarı son dərəcə kiçik olduğundan və elektrokimyəvi sabitliyi qoruyub saxlamaq mümkün olduğundan, litium-iyon batareyaları üçün katod cərəyanı kollektoru kimi uyğundur.
Mis/alüminium səthlərdəki oksid təbəqəsi yarımkeçiricilərə aiddir və elektronları keçirdir; oksid təbəqəsi çox qalındırsa, empedans böyükdür; alüminium səthindəki alüminium oksid təbəqəsi izolyatordur və elektrik cərəyanını keçirə bilməz, lakin çox nazik olduğundan elektron keçiriciliyi tunel effekti ilə əldə edilir; oksid təbəqəsi qalındırsa, mis/alüminium folqa keçiriciliyi zəif və ya hətta izolyasiyaedicidir. Ümumiyyətlə, mis/alüminium folqa bir tərəfdən yağı, digər tərəfdən qalın oksid təbəqələrini çıxarmaq üçün istifadə etməzdən əvvəl oksid təbəqəsindən təmizlənməlidir. Katod potensialı yüksəkdir və alüminium oksid təbəqəsi çox sıxdır, bu da cari kollektorun oksidləşməsinin qarşısını ala bilər. Mis/nikel və s. oksid təbəqələri nisbətən boşdur, asanlıqla cari kollektorun qarşısını alır və batareyanın daha yaxşı işləməsini təmin edir. Eyni zamanda, litium-ion batareyalarının anod potensialı aşağıdır və mis/nikel oksidləşmə reaksiyalarına məruz qalacaq, mis/nikel səthində oksidləşmə/mis/de-litiyləşmə reaksiyaları baş verir, alüminium isə yüksək potensialda LiAl ərintisinə məruz qalır.
Cari kollektor təmiz kompozisiya tələb edir. Al-dakı çirklər səth filmini daha az sıxlaşdıracaq və korroziyaya səbəb olacaq və daha da ciddi şəkildə səth filminin məhv edilməsi LiAl ərintisi meydana gəlməsinə səbəb olur.
Cari kollektor təmiz kompozisiya tələb edir. Al tərkibindəki çirklər səth filminin daha az sıx olmasına səbəb olacaq, korroziyaya gətirib çıxaracaq və daha da pisi, səth filminin məhv edilməsi LiAl ərintinin əmələ gəlməsinə səbəb olacaq.
Litium{0}}ion batareyaları üçün katod alüminium folqa 16μm-dən 14μm-ə, sonra 12μm-ə endirilib və indi 10μm alüminium folqa artıq kütləvi istehsaldadır, bəziləri hətta 8μm istifadə edir; anod mis folqa üçün, mahiyyətcə daha yaxşı çevikliyinə görə, qalınlığı əvvəlki 12μm-dən 10μm-ə, sonra 8μm-ə endirilib və hazırda batareyaların böyük bir hissəsi-6μm istifadə edərək kütləvi istehsal olunur, bəzi istehsalçılar isə potensial olaraq istifadə oluna bilən 5μm/4μm inkişaf etdirirlər. Litium{14}}ion batareyaları istifadə edilən mis folqa üçün yüksək təmizlik tələblərinə malik olduğundan, material sıxlığı əsasən eyni səviyyədədir. Hazırlanma mərhələsində olan qalınlıq azaldıqca, ərazi sıxlığı müvafiq olaraq azalır və batareyanın çəkisi təbii olaraq daha yüngül və yüngül olur ki, bu da litium{16}}ion batareyalarına olan tələbatı ödəyir.
Cari kollektorlar üçün onların qalınlığı və çəkisi litium{0}}ion batareyalarına təsir etməklə yanaşı, cari kollektorun səth xüsusiyyətləri də batareya istehsalına və performansına əhəmiyyətli təsir göstərir. Xüsusilə anod cərəyan kollektoru üçün, hazırlıq texnologiyasındakı qüsurlara görə, bazarda olan mis folqalar, əsasən,-birtərəfli kobud, ikitərəfli kobud-və ikitərəfli-kobud sortlardır. Bu asimmetrik iki{6}}konstruksiya anod örtüyünün hər iki tərəfdə asimmetrik təmas müqavimətinə gətirib çıxaracaq və bununla da hər iki tərəfdə anod tutumunun vahid buraxılmasının qarşısını alacaq; eyni zamanda, hər iki tərəfdəki asimmetriya da anod örtüyünün qeyri-sabit yapışma gücünə səbəb olacaq, nəticədə hər iki tərəfdə anod örtüyünün boşalma dövriyyəsinin ciddi balanssızlığı- ilə nəticələnəcək və bu da öz növbəsində batareyanın tutumunun aşınmasını sürətləndirəcək.
Tək hüceyrənin katod formalaşdırılması hüceyrənin əsas əsas texnologiyasıdır. Aşağıda bir nümunə verilmişdir:
1)LiCoO₂ (10μm): 96.0%.
2)keçirici agent (Karbon ECP): 2.0%.
3) Bağlayıcı (PVDF 761): 2,0%.
4)Adheziya stimulatoru (NMP): Bərk maddələrin çəki nisbəti təxminən 810:1496-dır.
Katodun hazırlanması ilə bağlı ehtiyat tədbirləri:
1) 6000cP (1cP=1mPa · s) (temperatur 25 dərəcə) səviyyəsində katod məhlulunun özlülüyünə nəzarət.
2) NMP-nin çəkisi özlülük tələbinə cavab vermək üçün müvafiq qaydada tənzimlənməlidir.
3) Temperatur və rütubətin viskoziteyə təsirinə xüsusi diqqət yetirin.
Katod materialı litium kobalt oksidi: Katod aktiv material, litium ion mənbəyi, batareya üçün litium mənbəyi təmin edir. Qeyri{1}}qütblü maddə, qeyri-müntəzəm forma, hissəcik ölçüsü D50 ümumiyyətlə 6-8μm, nəmlik 0,2%-dən az və ya ona bərabər, adətən qələvi, pH 10-11.
Katod materialı litium manqan oksid: Qeyri{0}}qütblü maddə, qeyri-müntəzəm forma, hissəcik ölçüsü D50 ümumiyyətlə 5-7μm, rütubət 0,2%-dən az və ya ona bərabər, adətən zəif qələvi, pH 8 ətrafında.
Keçirici agent: Zəncir kimi{0}}maddə, rütubət<1%, particle size generally 1~5um.Superconductive carbon black with excellent conductivity is usually used, such as KetjenblackCarbon ECP and ECP600JD. lts function is to improve the conductivity of the cathode material,compensate for the electronic conductivity of the cathode active material; increase the electrolyteabsorption of the cathode sheet, expand the reaction interface, and reduce polarization.
Bağlayıcı (PVDF): Qütb olmayan maddə, zəncir kimi-, molekulyar çəkisi 300000 ilə 3000000 arasında dəyişir; su udulduqdan sonra molekulyar çəki azalır, nəticədə yapışma zəifləyir. Litium kobalt oksidi, keçirici maddə və alüminium folqa və ya alüminium torla birlikdə yapışdırmaq üçün istifadə olunur. Yapışqan artırıcı (NMP): Zəif qütblü maye, PVDF-ni həll etmək/şişdirmək və eyni zamanda məhlulu seyreltmək üçün istifadə olunur.
Cari kollektor (katod lövhəsi): Alüminium folqa və ya alüminium zolaqdan hazırlanmışdır.
Anod quruluşu
Hüceyrə anodunun strukturu Şəkil 7-3-də göstərildiyi kimi qrafit materialı, keçirici maddə, qatılaşdırıcı (CMC), bağlayıcı (SBR) və cərəyan kollektorundan (mis folqa) ibarətdir.
Tək bir hüceyrənin anod formalaşdırılması da hüceyrənin əsas əsas texnologiyalarından biridir, adətən aşağıdakı kimi:
1) Anod materialı (qrafit): 94,5%.
2)keçirici agent (Karbon ECP): 1,0% (Ketjenblack).
3) Bağlayıcı (stirol-butadien rezin lateks, SBR): 2,25%.
4)Qatılaşdırıcı (karboksimetilselüloz, CMC): 2,25%.
5)Su: Bərk maddələrin çəki nisbəti 1600:1417,5-dir.
Anod formalaşdırılması ilə bağlı ehtiyat tədbirləri:
1) 5000-6000cP (temperatur 25 dərəcə) anod məhlulunun özlülüyünə nəzarət.
2) Suyun çəkisi özlülük tələbinə cavab vermək üçün müvafiq qaydada tənzimlənməlidir.
3) Temperatur və rütubətin viskoziteyə təsirinə xüsusi diqqət yetirin.
Qrafit: Anod reaksiyasını təşkil edən əsas maddə olan anod aktiv material, əsasən iki əsas kateqoriyaya bölünür: təbii qrafit və süni qrafit. Qütb olmayan-maddələr, qütb olmayan maddələrlə asanlıqla çirklənmiş-qütb olmayan maddələrdə asanlıqla dağılır; suyu udmaq asan deyil, suda səpmək də asan deyil. Çirklənmiş qrafit suda dağıldıqdan sonra yenidən-aqlomerasiyaya meyllidir. Ümumi hissəcik ölçüsü D50 təxminən 20μm-dir. Hissəciklərin formaları müxtəlifdir və əsasən qeyri-müntəzəmdir, əsasən sferik, qabıqlı, lifli və s.
Keçirici agentin funksiyaları:
1) Anod təbəqəsinin keçiriciliyini yaxşılaşdırın və anod aktiv materialının elektron keçiriciliyini kompensasiya edin.
2) Reaksiya dərinliyini və istifadə dərəcəsini artırın.
3) Dendritlərin əmələ gəlməsinin qarşısını alır.
4)Reaksiya interfeysini artırmaq və qütbləşməni azaltmaq üçün keçirici materialların maye -udma qabiliyyətindən istifadə edin (qrafit hissəciklərinin ölçüsünə görə əlavə oluna və ya əlavə olunmaya bilər).
Əlavələr: Geri dönməz reaksiyaları azaldır, yapışma gücünü və şlamın özlülüyünü artırır və şlamın çökməsinin qarşısını alır.
Qatılaşdırıcı/anti{0}}çökmə agenti (CMC): Yüksək molekulyar birləşmə, suda və qütb həlledicilərdə asanlıqla həll olunur.
İzopropanol: Zəif qütblü maddə; əlavə edildikdən sonra, bağlayıcı məhlulun polaritesini azalda, qrafit və bağlayıcı məhlul arasında uyğunluğu yaxşılaşdıra bilər; güclü defoaming təsiri var; bağlayıcı şəbəkənin çarpaz birləşməsini asanlıqla kataliz edir-və bağlanma gücünü artırır.
Etanol: Zəif qütblü maddə; əlavə edildikdən sonra, bağlayıcı məhlulun polaritesini azalda, qrafit və bağlayıcı məhlul arasında uyğunluğu yaxşılaşdıra bilər; güclü defoaming təsiri var; bağlayıcının xətti çarpaz birləşməsini asanlıqla kataliz edir- və bağlanma gücünü artırır (izopropanol və etanolun funksiyaları mahiyyətcə eynidir; kütləvi istehsal zamanı hansının əlavə ediləcəyini seçmək üçün-xərc faktorları nəzərə alına bilər).
Su{0}}əsaslı bağlayıcı (SBR): Qrafit, keçirici maddə, əlavələr və mis folqa və ya mis torları birləşdirir; xətti zəncirli emulsiya molekulu, suda və qütb həlledicilərdə çox həll olur.
Deionlaşdırılmış su (və ya distillə edilmiş su): Müvafiq miqdarda əlavə edilən seyreltici məhlulun axıcılığını dəyişə bilər.
Anod nişanı: Mis folqa və ya mis zolaqdan hazırlanmışdır.
