Zer da bateria-zelula?
Zelula Egitura
Bateria bakarra, "zelula" izenez ere ezaguna, bateria-sistema bateko unitate txikiena da. Batez ere, katodoa (Katodoa Elektrodoa), anodoa (Anodoa Elektrodoa), elektrolitoa (Electrolyte), bereizlea (Bereiztzailea) eta kasua (Kasua), 7-1 Irudian ikusten den moduan.
Litio-zelula baten elektrodo-xafla material konposatu gisa sailka daiteke, batez ere lau zatiz osatuta:
1) Litio ioiak tartekatzen edo desinterkalatzen dituzten material aktiboko partikulak; katodo partikulek litio iturria ematen dute, anodo partikulek litio ioiak onartzen dituzte.
2)Fase eroalea (karbono gelaren fasea) agente eroalearen eta korronte-kolektorearen nahasketak eratzen duena, lotzaileak lotura funtzioa betetzen duelarik; estaldurak korronte-kolektorearen eta agente eroalearen bidez elektroiak eroaten ditu.
3) Elektrolitoz betetako poroak, litio-ioiaren -elektrodo-xafla barruan garraiatzeko kanal gisa balio dutenak.
4) Korronte-biltzailea.
Prozesu elektrokimikoan, elektrodoen estaldurak 4 prozesu hauek hartzen ditu batez ere:
1) Elektronien garraioa.
2)Ioien garraioa.
3) Karga-trukea elektrolito/elektrodo partikulen interfazean, hau da, erreakzio elektrokimikoan.
4) Litio ioien hedapena fase solidoaren barruan. Elektrodo-xaflaren mikroegituran, partikulen tamainak eta banaketak litio-ioiaren difusio-bidea eta erreakzio elektrokimikoaren azalera espezifikoa eragiten dute; poroen tamainak eta banaketak elektrolitoaren garraio-prozesuan eragiten dute; porositateak material aktiboaren kantitatean eta erreakzio elektrokimikoaren azalera espezifikoan eragiten du. Ezaugarri mikroegitural horiek guztiek bateriaren errendimenduan eragiten dute.
Katodoaren Egitura
Zelula katodoa, batez ere, LiCoO₂, agente eroalea, aglutinatzailea (PVDF) eta korronte-kolektorea bezalako materialez osatuta dago.aluminiozko papera), 7-2 irudian ikusten den bezala.
Litio-ioizko baterietarako, katodo-korronte-kolektorea aluminiozko papera izan ohi da eta anodo-korronte-kolektorea.kobrezko papera. Bateria barruan dagoen korronte-kolektorearen egonkortasuna bermatzeko, bien garbitasuna % 98tik gorakoa izan behar da. Litio-ioizko bateriek katodorako aluminiozko papera eta anodorako kobrezko papera erabiltzeko arrazoiak honako 3 puntu hauek dira:
1) Kobreak eta aluminioak eroankortasun elektriko ona, ehundura leuna eta prezio baxua dute. Litio-ioizko bateria baten funtzionamendu-printzipioa energia kimikoa energia elektriko bihurtzen duen gailu elektrokimikoa da. Prozesu honetan, medio bat behar da energia kimikoa energia elektrikora transferitzeko, eta horrek material eroale bat behar du. Ohiko materialen artean, metalek dute eroankortasun elektrikorik onena, eta metalen artean, kobreak eta aluminioak eroankortasun bikaina eta prezio nahiko baxua eskaintzen dute kobrezko paperaren eta aluminiozko paperaren moduan. Litio-ioietako baterietan, batez ere bi prozesatzeko metodo daude: harilkatzea eta pilatzea. Pilatzearekin alderatuta, harilkatzeak bateria prestatzeko erabiltzen diren elektrodo xaflek nolabaiteko malgutasuna izatea eskatzen du, elektrodoen xaflek hauskor bihur ez daitezen edo hautsi ez daitezen. Material metalikoen artean, kobrea eta aluminiozko paperak biguna dira, nahiko gogorrak dira kobre/aluminiozko paperak garestiak, kobre eta aluminiozko paperak nahiko merkeak dira eta kobre eta aluminiozko baliabideak ugariak dira mundu osoan.
2) Kobrea eta aluminiozko paperak ere nahiko egonkorrak dira airean. Aluminioak erraz erreakzionatzen du aireko oxigenoarekin kimikoki gainazalean oxidozko film trinko bat eratzeko, aluminioaren erreakzio gehiago eragotziz. Kobre/aluminiozko film oxido honek elektrolitoan dagoen aluminioaren babes-efektu jakin bat ere ematen du. Kobrea bera nahiko egonkorra da airean eta, funtsean, ez du erreakzio kimikorik jasaten aire lehorrean.
3)Litio-ioietako baterien katodo eta anodo potentzialek zehazten dute aluminiozko papera erabiltzen dela katodorako eta kobrezko papera anodorako, eta ezin dira alderantzikatu. Katodoaren potentziala altua da, eta kobrezko papera erraz oxidatzen da potentzial handian, aluminioak oxidazio potentzial handia eta gainazaleko geruzan oxido-film trinkoa du, barneko aluminioari ere babes ona ematen diona.
Aluminio metalikoaren kristal sarean, kobreak eta aluminioak Li-ren antzeko tamainak dituzte eta LiAl bezalako konposatu intermetalikoak erraz sor ditzakete. Li eta Al-ek LiAl formula kimikoarekin aleazioa ez ezik, Li₉Al₄, Li₃Al₂, Li₅Al eta Li₂Al aleazio geruzak ere sor ditzakete. Aleazio-geruza hauek Li-kopuru handia kontsumitzen dute eta Al beraren egitura eta morfologia kaltetzen dute, beraz, ezin da erabili litio-ioietako baterien anodo-korronte-kolektore gisa; Cu-k, berriz, oso disoluzio txikia jasaten du bateriaren karga-deskargan eta egonkortasun estrukturala eta elektrokimikoa mantentzen du, litio-ioietako baterietarako anodo-korronte-kolektore gisa egokia da. 3,5V-ko kobrezko papererako, polarizazio-korrontea nabarmen handitzen hasten da eta linealki igotzen da, oxidazio areagotuarekin, Cu ere baterian disolbatzen hasten dela adieraziz; aluminiozko paperean, berriz, polarizazio-potentzialaren barruti osoan zehar, polarizazio-korrontea txikia eta egonkorra da, korrosio-fenomeno nabaririk ikusten ez dena, egonkortasun elektrokimikoa mantenduz. Litio-ioietako baterien katodoen potentzialaren barrutian Al-ren disoluzio-kantitatea oso txikia denez eta egonkortasun elektrokimikoa mantendu daitekeenez, egokia da litio-ioizko baterien katodo-korronte-kolektore gisa.
Kobre/aluminiozko gainazaleko oxido-geruza erdieroaleei dagokie eta elektroiak eroaten ditu; oxido-geruza lodiegia bada, inpedantzia handia da; aluminiozko gainazaleko aluminio oxidoaren geruza isolatzailea den bitartean eta ezin du elektrizitatea eroan, baina oso mehea denez, tunelaren efektuaren bidez elektroi-eroapena lortzen da; oxido-geruza lodia bada, kobre/aluminio paperaren eroankortasuna eskasa edo isolatzailea ere bada. Orokorrean, kobre/aluminiozko papera oxido-geruza garbitu behar da erabili aurretik, olioa alde batetik eta oxido-geruza lodiak bestetik kentzeko. Katodoaren potentziala handia da, eta aluminio oxidoaren geruza oso trinkoa da, eta horrek korronte kolektorearen oxidazioa ekidin dezake. Kobre/nikel eta abar oxido-geruzak nahiko solteak dira, uneko kolektorea erraz saihestuz eta bateriaren errendimendu hobea eskaintzen dute. Aldi berean, litio-ioietako baterien anodo-potentziala baxua da, eta kobreak/nikelak oxidazio-erreakzioak jasango ditu, oxidazio/kobre/de-litio-erreakzioekin kobre/nikelaren gainazalean, aluminioak LiAl aleazio potentzial handian jasaten duen bitartean.
Egungo kolektoreak konposizio hutsa behar du. Al-en ezpurutasunak gainazaleko filma dentso txikiagoa izango du eta pitting korrosioa eragingo du, eta are larriagoa den, gainazaleko filmaren suntsiketak LiAl aleazioa sortzea dakar.
Egungo kolektoreak konposizio hutsa behar du. Al-en ezpurutasunak gainazaleko filma dentso txikiagoa izatea eragingo du, korrosioa pitting eraginez, eta are okerragoa den, gainazaleko filmaren suntsiketak LiAl aleazioa sortzen du.
Litio-ioizko baterietarako, aluminiozko paper katodoa 16μm-tik 14μm-ra murriztu da, gero 12μm-ra, eta orain 10μm-ko aluminio-papera masa-produkzioan dago dagoeneko, batzuek 8μm-ra ere erabiltzen dute; anodoko kobre-laminarentzat, berez duen malgutasun hobea dela eta, bere lodiera aurreko 12μm-tik 10μm-ra murriztu da, gero 8μm-ra, eta gaur egun baterien zati handi bat masa-6μm erabiliz ekoizten da, fabrikatzaile batzuk 5μm/4μm garatzen ari diren bitartean, eta horiek ere baliagarriak izan daitezke. Litio-ioizko bateriek garbitasun-eskakizun handiak dituztenez erabiltzen den kobrezko paperarentzat, materialaren dentsitatea maila berean dago funtsean. Garatzen ari den lodiera txikiagotzen den heinean, eremuaren dentsitatea murrizten da horren arabera, eta bateriaren pisua berez gero eta arinagoa bihurtzen da, eta horrek litio-ioizko baterien eskaerari erantzuten dio.
Korronte-biltzaileei dagokienez, litio-{0}}ioizko bateriei lodiera eta pisua izateaz gain, egungo kolektorearen gainazaleko propietateek ere eragin handia dute bateriaren ekoizpenean eta errendimenduan. Batez ere anodo-korronte-kolektoreari dagokionez, prestaketa-teknologiaren akatsen ondorioz, merkatuan dauden kobrezko xaflak -alde bakarreko latzak,-alde bikoitzak eta bi-alde bikoitzak dira. Bi-aldeetako egitura asimetriko honek anodo-estalduraren kontaktu-erresistentzia asimetrikoa ekarriko du bi aldeetan, eta horrela anodoaren ahalmenaren askapen uniformea saihestuko da bi aldeetan; aldi berean, bi aldeetako asimetriak anodo-estalduraren atxikimendu-indarra ez-koherentea ere eragingo du, eta ondorioz, karga--deskarga-zikloaren iraupena oso desorekatua izango da bi aldeetan, eta horrek bateriaren ahalmenaren gainbehera azkartzen du.
Zelula bakar baten katodoaren formulazioa zelularen oinarrizko teknologia da. Jarraian adibide bat dago:
1)LiCoO₂ (10μm): %96,0.
2)Agente eroalea (Carbon ECP): %2,0.
3)Lotzailea (PVDF 761): %2,0.
4) Atxikimendu sustatzailea (NMP): substantzia solidoen pisu-erlazioa 810:1496 da gutxi gorabehera.
Katodoak formulatzeko neurriak:
1)Katodoaren minda biskositatea kontrolatzea 6000cP-n (1cP=1mPa · s) (tenperatura 25 gradu).
2) NMPren pisua behar bezala egokitu behar da biskositate eskakizuna betetzeko.
3) Arreta berezia jarri tenperaturak eta hezetasunak biskositatean duten eragina.
Katodo materiala litio kobalto oxidoa: katodo material aktiboa, litio ioi iturria, bateriarako litio iturria eskaintzen du. Substantzia ez-polarra, forma irregularra, D50 partikulen tamaina oro har 6-8μm, hezetasun-edukia % 0,2 baino txikiagoa edo berdina, normalean alkalinoa, pH 10-11.
Katodoaren materiala litio manganeso oxidoa: -substantzia polarra, forma irregularra, D50 partikula-tamaina, oro har, 5-7 μm, hezetasun-edukia % 0,2 baino txikiagoa edo berdina, normalean ahul alkalinoa, pH 8 ingurukoa.
Agente eroalea: kate-antzeko substantzia, hezetasun-edukia<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.
Lotzailea (PVDF): substantzia ez-polarra, kate-antzekoa, 300.000 eta 3000000 bitarteko pisu molekularra; pisu molekularra murrizten da ura xurgatzean, eta ondorioz, atxikimendu eskasagoa da. Litio kobalto oxidoa, agente eroalea eta aluminiozko papera edo aluminiozko sarea lotzeko erabiltzen da. Atxikimendu sustatzailea (NMP): polar ahuleko likidoa, PVDF disolbatzeko/hazteko eta minda aldi berean diluitzeko erabiltzen da.
Korronte-biltzailea (katodoaren fitxa): Aluminio paperaz edo aluminiozko zerrendaz egina.
Anodoen Egitura
Zelula anodoaren egitura grafitozko materiala, agente eroalea, loditzailea (CMC), aglutinatzailea (SBR) eta korronte-kolektorea (kobrezko papera) osatzen dute, 7-3 Irudian ikusten den moduan.
Zelula bakar baten anodoaren formulazioa ere zelularen oinarrizko teknologia nagusietako bat da, normalean honela:
1) Anodoaren materiala (grafitoa): % 94,5.
2)Agente eroalea (Carbon ECP): %1,0 (Ketjenblack).
3) Aglutinatzailea (estireno-butadienozko kautxu latex, SBR): % 2,25.
4) Loditzailea (karboximetil zelulosa, CMC): % 2,25.
5)Ura: substantzia solidoen pisu-erlazioa 1600:1417,5 da.
Anodoak formulatzeko neurriak:
1) Anodo minda biskositatea kontrola 5000-6000cP-n (tenperatura 25 gradu).
2) Uraren pisua behar bezala egokitu behar da biskositate eskakizuna betetzeko.
3) Arreta berezia jarri tenperaturak eta hezetasunak biskositatean duten eragina.
Grafitoa: Anodoaren material aktiboa, anodoaren erreakzioa osatzen duen substantzia nagusia, batez ere bi kategoria nagusitan banatuta: grafito naturala eta grafito artifiziala. Substantzia ez{-polarrekoa, -substantzia ez polarrekin erraz kutsatzen dena, substantzia ez-polarretan erraz sakabanatzen da; ez da erraza ura xurgatzen, ezta erraza uretan barreiatzen. Kutsatutako grafitoak, uretan barreiatu ondoren, berriro aglomeratu ohi da-. D50 partikulen tamaina orokorra 20μm ingurukoa da. Partikulen formak askotarikoak dira eta gehienetan irregularrak dira, batez ere esferikoak, malutsuak, zuntzak, etab.
Agente eroalearen funtzioak:
1) Hobetu anodo-xaflaren eroankortasuna eta konpentsatu anodoko material aktiboaren eroankortasun elektronikoa.
2) Erreakzio-sakonera eta erabilera-tasa handitu.
3) Dendritak sortzea saihestea.
4)Erabili material eroaleen likidoa-xurgatzeko ahalmena erreakzio-interfazea handitzeko eta polarizazioa murrizteko (grafitoaren partikulen tamainaren banaketaren arabera gehi daiteke edo ez).
Gehigarriak: itzulezinak diren erreakzioak murriztea, lotura-indarra eta minda biskositatea handitzea eta minda sedimentatzea saihestea.
Loditzaile/{0}}dekantatzaileen aurkako agentea (CMC): molekula handiko konposatua, erraz disolbagarria uretan eta disolbatzaile polarretan.
Isopropanola: Substantzia ahula polarra; gaineratu ondoren, aglutinatzaile-soluzioaren polaritatea murriztu dezake, grafitoaren eta aglutinatzailearen arteko bateragarritasuna hobetu; espuma-efektu handia du; Lokatzaile-sarearen gurutza-erraz katalizatzen du eta lotura-indarra hobetzen du.
Etanola: polar ahuleko substantzia; gaineratu ondoren, aglutinatzaile-soluzioaren polaritatea murriztu dezake, grafitoaren eta aglutinatzailearen arteko bateragarritasuna hobetu; espuma-efektu handia du; aglutinatzailearen -gurutze-lotura lineala erraz katalizatzen du eta lotura-indarra hobetzen du (isopropanolaren eta etanolaren funtzioak berdinak dira funtsean; masa--ekoiztean, kostu-faktoreak kontuan hartu daitezke zein gehitu aukeratzeko).
Ura-oinarritutako aglutinatzailea (SBR): grafitoa, agente eroalea, gehigarriak eta kobrezko papera edo kobre-sarea lotzen ditu; kate lineala emultsio molekula, oso disolbagarria uretan eta disolbatzaile polarretan.
Ur deionizatua (edo ur destilatua): diluitzaileak, kantitate egokian gehituta, mindaren jariakortasuna alda dezake.
Anodoaren fitxa: kobrezko paperaz edo kobrezko zerrendaz egina.
