Pêşveçûna bataryayên lîtium

Dibe ku eslê cîhaza pîlê bi vedîtina şûşeya Leiden dest pê bike. Şûşeya Leiden cara yekem ji aliyê zanyarê Holandî Pieter van Musschenbroek ve di sala 1745an de hatiye îcadkirin. Ew ji du pelên metal ên ku ji hêla insulatorê ve têne veqetandin pêk tê. Kulîlka metal a li jor ji bo hilanîn û berdana barkirinê tê bikar anîn. Gava ku hûn dest bi darê dikin Dema ku topa metal tê bikar anîn, şûşeya Leiden dikare enerjiya elektrîkê ya hundurîn bigire an jê rake, û prensîb û amadekirina wê hêsan e. Her kesê eleqedar dikare wê bi xwe li malê çêbike, lê diyardeya wê ya xweser ji ber rêberiya wê ya hêsan dijwartir e. Bi gelemperî, hemî elektrîk dê di nav çend demjimêran heya çend rojan de were derxistin. Lêbelê, derketina şûşeya Leiden qonaxek nû di lêkolîna elektrîkê de nîşan dide.

Di salên 1790-an de, zanyarê îtalî Luigi Galvani bikaranîna têlên zinc û sifir ji bo girêdana lingên beqê keşf kir û dît ku lingên beqê dê biqelişin, ji ber vê yekê wî têgeha "biyoelektrîkê" pêşniyar kir. Ev vedîtin bû sedem ku zanyarê îtalî Alessandro biteqe. Dijberiya Volta, Volta bawer dike ku hejandina lingên beqê ji herika elektrîkê ya ku ji hêla metal ve hatî hilberandin tê, ne ji herika elektrîkê ya li ser beqê. Ji bo redkirina teoriya Galvani, Volta xwe ya navdar Volta Stack pêşniyar kir. Staka voltaîk ji pelên zinc û sifir pêk tê ku di navberê de kartonê ku di ava şor de hatî avdan. Ev prototîpa pîlê kîmyewî ye ku tê pêşniyar kirin.
Wekheviya reaksiyona elektrodê ya şaneya voltaîk:

Elektroda erênî: 2H^++2e^-→H_2

elektroda neyînî: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Di sala 1836an de, zanyarê Brîtanî John Frederic Danielll, pîlê Daniel îcad kir da ku pirsgirêka gulikên hewayê di pîlê de çareser bike. Pîlê Daniel xwedan forma bingehîn a pîlê kîmyewî ya nûjen e. Ji du beşan pêk tê. Parçeyek erênî di nav çareseriyek sulfate sifir de tê avêtin. Parçeyek din ê sifir zinc e ku di nav çareseriyek sulfate zinc de ye. Pîleya Daniel ya orîjînal bi çareseriya sulfate sifir di firaxek sifir de hate dagirtin û di navendê de konteynirek cylindrîkî ya poroz a seramîkî têxist. Di vê konteynera seramîk de, çîçek zinc û sulfate zinc wekî elektrodê neyînî heye. Di çareseriyê de, kunên piçûk ên di konteynera seramîk de dihêle ku du kilîtan îyonan biguhezînin. Pîlên Daniel ên nûjen bi piranî pirên xwê an membranên nîv-permeable bikar tînin da ku bigihîjin vê bandorê. Pîlên Daniel ji bo tora telegrafê wekî çavkaniyek hêzê dihatin bikar anîn heya ku bataryayên hişk şûna wan digirin.

Wekheviya reaksiyona elektrodê ya pîlê Daniel:

Elektroda erênî: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu

elektroda neyînî: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-

Heya nuha, forma seretayî ya pîlê hatiye destnîşankirin, ku tê de elektroda erênî, elektroda neyînî û elektrolît tê de ye. Li ser vê bingehê, bataryayên di 100 salên pêş de bi lez pêş ketine. Gelek pergalên bataryayê yên nû derketine, di nav wan de zanyarê Fransî Gaston Planté di sala 1856-an de bataryayên asîdê îcad kirine. wesayîtên. Ew bi gelemperî ji bo hin nexweşxane û stasyonên bingehîn wekî dabînkirina hêzê ya paşîn tê bikar anîn. Bataryayên lead-asîdê bi giranî ji lîber, dîoksîta serber, û çareseriya asîda sulfurîk pêk tê, û voltaja wan dikare bigihîje bi qasî 2V. Tewra di serdemên nûjen de, bataryayên asîdê yên serber ji ber teknolojiya wan a gihîştî, bihayên kêm, û pergalên bingehîn ên avê yên ewledar nehatine rakirin.

Wekheviya reaksiyonê ya elektrodê ya pîlê-asîdê:

Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O

Elektroda neyînî: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-

Pîlê nîkel-kadmium, ku ji hêla zanyarê swêdî Waldemar Jungner ve di sala 1899-an de hate îcad kirin, di cîhazên elektronîkî yên piçûk ên mobîl de, wek mînak walkmansên destpêkê, pirtir tê bikar anîn, ji ber ku enerjiya wê ji bataryayên asîd-pîr bilindtir e. Dişibin bataryayên asîdê yên asîdê. Pîlên nîkel-kadmium jî ji salên 1990-an vir ve bi berfirehî têne bikar anîn, lê jehrbûna wan nisbeten zêde ye, û pîlê bixwe xwedan bandorek bîranînê ya taybetî ye. Ji ber vê yekê em pir caran dibihîzin ku hin mezinên mezin dibêjin ku berî şarjkirinê divê pîlê bi tevahî were dakêşandin û ku bataryayên çopê dê erdê qirêj bikin, û hwd. (Bêbînî ku heta bataryayên heyî jî pir jehrîn in û divê li her derê neyên avêtin, lê bataryayên lîtiumê yên heyî feydeyên bîranînê nînin, û zêde dakêşana zirarê dide jiyana pîlê.) Pîlên nîkel-kadmium bêtir zirarê didin jîngehê, û berxwedana navxweyî dê bi germahiyê re biguhezîne, ku dibe ku zirarê bide ji ber herikîna zêde di dema barkirinê de. Pîlên nîkel-hîdrojen hêdî hêdî li dora sala 2005-an ew ji holê rakirin.

Wekheviya reaksiyonê ya elektrodê ya pîlê nîkel-kadmium:

Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2

Elektroda negatîf: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-

Qonaxa bataryayê ya lîtium metal

Di salên 1960-an de, mirov di dawiyê de bi fermî ketin serdema bataryayên lîtiumê.

Metala lîtium bixwe di sala 1817-an de hate keşfkirin, û mirov zû pê hesiyan ku taybetmendiyên fizîkî û kîmyewî yên metala lîtiumê bi xwezayî wekî materyalên bataryayê têne bikar anîn. Ew xwedan dendika kêm (0.534g 〖cm〗^(-3)), kapasîteya mezin (teorîkî heya 3860mAh g^(-1)), û potansiyela wê ya kêm (-3.04V li gorî elektroda hîdrojenê ya standard) heye. Vana hema ji mirovan re dibêjin ku ez materyalê elektrodê neyînî ya pîlê îdeal im. Lêbelê, metalê lîtium bixwe pirsgirêkên mezin hene. Ew pir çalak e, bi avê re bi tundî reaksiyon dike, û li ser hawîrdora xebitandinê hewcedariyên bilind hene. Ji ber vê yekê, ji bo demeke dirêj, mirov bi wê re bêçare bûn.

Di sala 1913 de, Lewis û Keyes potansiyela elektroda metala lîtiumê pîvandin. Û ceribandinek pîlê bi lîtium iodide di çareseriya propylamine de wekî elektrolît pêk anî, her çend ew têk çû.

Di sala 1958-an de, William Sidney Harris di teza xwe ya doktorayê de behs kir ku wî metala lîtiumê xiste nav çareseriyên esterên organîk ên cihêreng û çavdêriya avakirina rêzek tebeqeyên pasîvasyonê kir (di nav de metala lîtium di asîda perchloric de). Lîtium LiClO_4

Diyardeya di çareseriya PC-ya karbonatê propylene de, û ev çareserî di pêşerojê de di bataryayên lîtiumê de pergalek elektrolîtê ya girîng e), û diyardeyek veguheztina îyonê ya taybetî hatîye dîtin, ji ber vê yekê hin ceribandinên pêşîn ên elektrodepokirinê li ser vê yekê hatine kirin. Van ceribandinan bi fermî rê li ber pêşkeftina bataryayên lîtiumê vekir.

Di sala 1965-an de, NASA lêkolînek kûr li ser fenomenên barkirin û dakêşana bataryayên Li||Cu di çareseriyên PC-ya lîtium perchlorate de kir. Pergalên elektrolîtê yên din, di nav de analîzkirina LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Vê lêkolînê di pergalên elektrolîtên organîk de eleqeyek mezin derxistiye holê.

Di sala 1969 de, patentek destnîşan kir ku kesek dest pê kiriye ku hewl bide ku bataryayên çareseriya organîk bi karanîna metalên lîtium, sodyûm û potassium bazirganî bike.

Di sala 1970 de, Pargîdaniya Panasonic ya Japonî pîlê Li‖CF_x ┤ îcad kir, ku rêjeya x bi gelemperî 0.5-1 e. CF_x fluorocarbon e. Her çend gaza florînê pir jehrî ye jî, fluorocarbon bixwe tozek ne-jehrî ya spî-spî ye. Derketina holê ya bateriya Li‖CF_x ┤ dikare were gotin ku yekem pîlê lîtiumê ya bazirganî ya rastîn e. Pîl Li‖CF_x┤ pîlê bingehîn e. Dîsa jî, kapasîteya wê pir mezin e, kapasîteya teorîkî 865 mAh 〖Kg〗^(-1) ye, û voltaja dakêşana wê di dirêjahiya dirêj de pir aram e. Ji ber vê yekê, hêz stabîl e û fenomena xwe-dakêşandinê piçûk e. Lê ew xwedan performansa rêjeya bêkêmasî ye û nayê barkirin. Ji ber vê yekê, ew bi gelemperî bi dîoksîta manganese re tête hev kirin da ku bataryayên Li‖CF_x ┤-MnO_2 çêbikin, ku wekî bataryayên hundurîn ji bo hin senzorên piçûk, demjimêr, û hwd têne bikar anîn, û nehatine rakirin.

Elektroda erênî: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF

Elektroda negatîf: Li→〖Li〗^++e^-

Di sala 1975-an de, Pargîdaniya Sanyo ya Japonî batarya Li‖MnO_2 ┤ îcad kir, ku yekem car di hesabkerên tavê yên guhezbar de hate bikar anîn. Ev dikare wekî yekem battera lîtiumê ya guhezbar were hesibandin. Her çend ev berhem wê demê li Japonya serkeftinek mezin bû jî, mirov ji materyalên weha ne xwedî têgihiştinek kûr bû û lîtium û dîoksîta manganez ya wê nizanibû. Çi celeb sedem li pişt reaksiyonê heye?

Hema hema di heman demê de, Amerîkî li bataryayek ji nû ve bi kar anîn digeriyan, ku em niha jê re dibêjin pîlê duyemîn.

Di sala 1972 de, MBArmand (navên hin zanyaran di destpêkê de nehatin wergerandin) di kaxezek konferansê de M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (ku M metalek alkalî ye) û materyalên din ên bi avahiyek şîn a Prusî pêşniyar kir. , Û diyardeya wê ya têkelbûna ion lêkolîn kir. Û di 1973-an de, J. Broadhead û yên din ji Bell Labs fenomena navberkirina atomên kelûl û îyotê di dîkalcogenîdên metal de lêkolîn kirin. Van lêkolînên pêşîn ên li ser fenomena navberkirina ion hêza herî girîng a pêşkeftina hêdî ya bataryayên lîtiumê ne. Lêkolîna orîjînal ji ber van lêkolînan rast e ku paşê bataryayên lîtium-ion gengaz dibin.

Di sala 1975-an de, Martin B. Dines ji Exxon (pêşengê Exxon Mobil) hesab û ceribandinên pêşîn li ser têkeliya di navbera rêzek dîkalcogenîdên metal ên veguhêz û metalên alkali de pêk anî û di heman salê de, Exxon navekî din bû Zanyar MS Whittingham patentek weşand. li ser Li‖TiS_2 ┤ hewzê. Û di 1977-an de, Exoon bazarek li ser bingeha Li-Al‖TiS_2┤ bazirganî kir, ku tê de alikariya aluminiumê ya lîtium dikare ewlehiya pîlê zêde bike (her çend hîn jî xetereyek girîngtir heye). Piştî wê, pergalên baterî yên bi vî rengî li Dewletên Yekbûyî ji hêla Eveready ve bi rêkûpêk hatine bikar anîn. Bazirganîkirina Pargîdaniya Battery û Pargîdaniya Grace. Pîlê Li‖TiS_2 ┤ dikare di wateya rastîn de bibe yekem batarya lîtiumê ya duyemîn, û di heman demê de ew pergala herî germ a wê demê bû. Di wê demê de, tîrbûna enerjiya wê bi qasî 2-3 qat ji bataryayên asîdê yên pîvaz bû.

Elektroda erênî: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2

Elektroda negatîf: Li→〖Li〗^++e^-

Di heman demê de, zanyarê Kanadayî MA Py di ​​sala 2-an de batarya Li‖MoS_1983┤ îcad kir, ku dikare di 60/65C de enerjîyek 1-1Wh 〖Kg〗^(-3) hebe, ku bi Li‖TiS_2┤ ye. pîl. Li ser vê yekê, di sala 1987-an de, pargîdaniya Kanadayî Moli Energy dest bi bataryayek lîtiumê ya bi rastî berfireh a bazirganî kir, ku li çaraliyê cîhanê pir dihat xwestin. Divê ev bûyerek dîrokî ya girîng bûya, lê ya îronîk ev e ku ew di heman demê de dibe sedema paşveçûna Molî jî. Dûv re di bihara 1989-an de, Pargîdaniya Moli hilberên baterî yên nifşa duyemîn Li‖MoS_2┤ dest pê kir. Di dawiya bihara 1989-an de, hilbera bateriya nifşa yekem a Moli Li‖MoS_2┤ teqiya û bû sedema panîkek mezin. Di havîna heman salê de, hemî hilber hatin bibîranîn, û mexdûran tazmînat kirin. Di dawiya heman salê de, Moli Energy îflasê ragihand û di bihara 1990 de ji aliyê NEC ya Japonî ve hat bidest xistin. Hêjayî gotinê ye ku tê gotin ku Jeff Dahn, zanyarê Kanadayî yê wê demê, pêşengiya projeya bateriyê li Moli dikir. Enerjî û îstifa kir ji ber dijberiya xwe ya li ser berdewamkirina navnîşa bataryayên Li‖MoS_2 ┤.

Elektroda erênî: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2

Elektroda negatîf: Li→〖Li〗^++e^-

Heya nuha, bataryayên metal ên lîtium hêdî hêdî ji ber çavên gel derketine. Em dikarin bibînin ku di heyama 1970-1980-an de, lêkolîna zanyaran li ser bataryayên lîtiumê bi giranî li ser materyalên katodê bû. Armanca paşîn bi domdarî li ser dîkalkojenîdên metal ên veguhêz e. Ji ber strukturên wan ên qatkirî (dîkalkojenîdên metal ên veguhêz naha wekî materyalek du-alî bi berfirehî têne lêkolîn kirin), qatên wan û di navbera qatan de têra xwe valahiyek heye ku têketina îyonên lîtiumê bicîh bîne. Di wê demê de, di vê heyamê de li ser materyalên anode lêkolînek pir hindik bû. Her çend hin lêkolînan balê dikişînin ser lêdana metala lîtiumê da ku aramiya wê zêde bikin, lê metala lîtium bixwe pir bêhêz û xeternak e. Her çend teqîna bataryayê ya Moli bûyerek bû ku cîhan şok kir, lê gelek bûyerên teqîna bataryayên metal ên lîtiumê hene.

Her wiha mirovan sedema teqîna bataryayên lîtyumê baş nizanibû. Digel vê yekê, metala lîtium ji ber taybetmendiyên xwe yên baş carekê wekî materyalek elektrodê neyînî ya bêguhêr dihat hesibandin. Piştî teqîna bataryayên Moli, qebûlkirina gel ji bataryayên metal ên lîtiumê kêm bû û bataryayên lîtiumê ketin serdemek tarî.

Ji bo ku batariyek ewledar hebe, divê mirov bi materyalê elektrodê zirardar dest pê bikin. Dîsa jî, li vir rêzek pirsgirêk hene: potansiyela metala lîtium kêm e, û karanîna elektrodên neyînî yên din ên tevlihev dê potansiyela elektroda neyînî zêde bike, û bi vî rengî, bataryayên lîtiumê Cûdahiya potansiyela giştî dê kêm bibe, ku dê kêm bike. dendika enerjiyê ya bahozê. Ji ber vê yekê, zanyar neçar in ku materyalê katodê-voltaja bilind a têkildar bibînin. Di heman demê de, pêdivî ye ku elektrolîta pîlê bi voltaja erênî û neyînî û îstîqrara çerxê re têkildar be. Di heman demê de, veguhestina elektrolîtê Û berxwedana germê çêtir e. Ev rêza pirsan zanyar ji bo demek dirêj şaş kirin ku bersivek têrkertir bibînin.

Pirsgirêka yekem a ku zanyar çareser bikin ev e ku meriv materyalek elektrodek ewledar, zirardar bibîne ku dikare şûna metala lîtiumê bigire. Metala lîtium bixwe xwedan çalakiya kîmyewî pir zêde ye, û rêzek pirsgirêkên mezinbûna dendritê li ser hawîrdor û şert û mercên karanîna pir dijwar bûne, û ew ne ewle ye. Grafît naha laşê sereke yê elektroda neyînî ya bataryayên lîtium-ion e, û sepana wê di bataryayên lîtiumê de di destpêka sala 1976-an de hatî lêkolîn kirin. Di 1976-an de, Besenhard, JO lêkolînek berfirehtir li ser senteza elektrokîmyayî ya LiC_R kiriye. Lêbelê, her çend grafît xwedan taybetmendiyên hêja (berguhêziya bilind, kapasîteya bilind, potansiyela kêm, bêhêzbûn, hwd.), di wê demê de, elektrolîta ku di bataryayên lîtiumê de tê bikar anîn bi gelemperî çareseriya PC-ya LiClO_4 ya ku li jor hatî destnîşan kirin e. Graphite pirsgirêkek girîng heye. Di nebûna parastinê de, molekulên PC-ya elektrolît jî dê bi navbeynkariya lîtium-ionê bikevin nav avahiya grafît, û di encamê de performansa dewrê kêm dibe. Ji ber vê yekê, grafît di wê demê de ji hêla zanyaran ve nehat pejirandin.

Di derbarê materyalê katodê de, piştî lêkolîna qonaxa bataryayê ya metala lîtiumê, zanyaran dîtin ku maddeya anodê ya lithium bixwe jî materyalek hilanînê ya lîtiumê ye ku xwedan paşveçûnek baş e, wek LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) û hwd, û li ser vê bingehê, 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 û materyalên din hatine pêşve xistin. Û zanyar hêdî hêdî bi kanalên îyonê yên cihêreng ên 1-alî (1D), tevhevkirina îyonê ya 2-dimensî (2D), û strukturên tora veguheztina îyonê ya 3-alî nas kirin.

Lêkolîna herî navdar a Profesor John B. Goodenough li ser LiCoO_2 (LCO) jî di vê demê de pêk hat. Di 1979 de, Goodenougd et al. di sala 2-an de ji gotarek li ser avahiya NaCoO_1973 îlhama xwe girtin û LCO keşf kirin û gotarek patentê weşandin. LCO xwedan avahiyek navbeynkar a qatkirî ye ku mîna dîsulfîdên metalê yên veguhêz e, ku tê de îyonên lîtiumê bi berevajî têne danîn û derxistin. Ger îyonên lîtiumê bi tevahî werin derxistin, dê avahiyek nêzik a CoO_2 çêbibe, û ew dikare ji bo lîtiumê bi îyonên lîtiumê ji nû ve were danîn (Bê guman, bataryek rastîn dê nehêle ku îyonên lîtiumê bi tevahî werin derxistin, ku dê bibe sedem ku kapasîteya zû hilweşe). Di sala 1986-an de, Akira Yoshino, ku hîna li Pargîdaniya Asahi Kasei li Japonyayê dixebitî, sê çareseriya PC-ya LCO, kok, û LiClO_4 ji bo yekem car li hev kir, bû yekem batarya duyemîn a lîtium-ion ya nûjen û bû lîtium-ya heyî. pîlê. Sony zû patenta LCO ya pîrê "têra xwe baş" dît û destûr wergirt ku wê bikar bîne. Di 1991-ê de, wê battera lîtium-ion LCO bazirganî kir. Têgeha batarya lîtium-ion jî di vê demê de xuya bû, û ramana wê jî heya roja îro berdewam dike. (Hêjayî gotinê ye ku bataryayên lîtium-ionê yên nifşa yekem Sony û Akira Yoshino di şûna grafît de karbona hişk wekî elektrodê neyînî bikar tînin, û sedem jî ev e ku PC-ya jorîn di grafît de têkiliyek heye)

Elektroda erênî: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6

Elektroda negatîf: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-

Ji hêla din ve, di sala 1978-an de, Armand, M. karanîna polîetîlen glycol (PEO) wekî elektrolîtek polîmerek zexm pêşniyar kir da ku pirsgirêka jorîn çareser bike ku anoda grafîtê bi hêsanî di molekulên PC-ya çareserker de tête bicîh kirin (elektrolîta sereke ya wê demê hîn jî PC-ê, çareseriya tevlihev a DEC-ê bikar tîne), ku grafît yekem car xiste nav pergala battera lîtiumê, û têgeha pîlê-kursiya kevir (kursiya kevir) di sala pêş de pêşniyar kir. Konsepteke wiha heta niha berdewam kiriye. Pergalên elektrolîtê yên heyî yên wekî ED/DEC, EC/DMC, hwd., tenê hêdî hêdî di salên 1990-an de xuya bûn û ji wê hingê ve têne bikar anîn.

Di heman serdemê de, zanyaran rêzek pîlê jî lêkolîn kirin: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ pîl, Li‖V〖SE〗_2 ┤ pîl, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 batteries, Li‖ Li ‖I_2 ┤Baterî û hwd., ji ber ku ew niha kêm bi qîmet in, û gelek cûreyên lêkolînê tune ne ku ez wan bi hûrgulî bidim nasîn.

• Li-ion battery şanocî

Serdema pêşkeftina bataryayên lîtium-ion piştî sala 1991-an serdemek e ku em niha tê de ne. Li vir ez ê pêvajoya pêşkeftinê bi hûrgulî nebêjim lê bi kurtî pergala kîmyewî ya çend bataryayên lîtium-ion destnîşan dikim.

Destpêkek pergalên bateriya lîtium-ionê ya heyî, li vir beşa paşîn e.