Потеклото на уредот со батерија може да започне со откривањето на шишето Лајден. Шишето Лајден првпат го измислил холандскиот научник Питер ван Мушенбрук во 1745 година. Теглата Лајден е примитивен кондензаторски уред. Составен е од два метални лимови одделени со изолатор. Металната прачка горе се користи за складирање и ослободување на полнење. Кога ја допирате шипката Кога се користи металната топка, шишето Лајден може да ја задржи или отстрани внатрешната електрична енергија, а нејзиниот принцип и подготовка се едноставни. Секој заинтересиран може да го направи сам дома, но феноменот на неговото самоиспуштање е потешка поради едноставниот водич. Општо земено, целата електрична енергија ќе биде испразнета за неколку часа до неколку дена. Сепак, појавата на шишето Лајден означува нова фаза во истражувањето на електричната енергија.
Во 1790-тите, италијанскиот научник Луиџи Галвани ја открил употребата на цинк и бакарни жици за поврзување на нозете на жабата и открил дека нозете на жабата ќе се грчат, па го предложил концептот на „биоелектрицитет“. Ова откритие предизвика грчевито на италијанскиот научник Алесандро. Приговорот на Волта, Волта верува дека грчењето на нозете на жабата доаѓа од електричната струја што ја создава металот, а не од електричната струја на жабата. За да ја побие теоријата на Галвани, Волта го предложи својот познат Volta Stack. Волтаичниот оџак се состои од цинк и бакарни листови со картон натопен во солена вода помеѓу нив. Ова е предложен прототип на хемиска батерија.
Равенката на реакција на електродата на напонска ќелија:
позитивна електрода: 2H^++2e^-→H_2
негативна електрода: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Во 1836 година, британскиот научник Џон Фредерик Даниел ја измислил батеријата Даниел за да го реши проблемот со воздушните меури во батеријата. Батеријата Даниел има примарна форма на модерна хемиска батерија. Се состои од два дела. Позитивниот дел се потопува во раствор на бакар сулфат. Другиот дел од бакарот е цинк потопен во раствор на цинк сулфат. Оригиналната батерија Даниел беше наполнета со раствор од бакар сулфат во бакарна тегла и вметна керамички порозен цилиндричен сад во центарот. Во овој керамички сад има цинкова прачка и цинк сулфат како негативна електрода. Во растворот, малите дупки во керамичкиот сад овозможуваат двата клуча да разменуваат јони. Модерните Даниел батерии најчесто користат солени мостови или полупропустливи мембрани за да го постигнат овој ефект. Даниел батериите се користеа како извор на енергија за телеграфската мрежа додека сувите батерии не ги заменија.
Равенката на реакцијата на електродата на батеријата Даниел:
Позитивна електрода: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu
негативна електрода: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Досега е утврдена примарната форма на батеријата која вклучува позитивна електрода, негативна електрода и електролит. На таква основа, батериите претрпеа брз развој во следните 100 години. Се појавија многу нови батериски системи, вклучувајќи го и францускиот научник Гастон Планте, кој измислил оловно-киселински батерии во 1856 година. возила. Често се користи како резервно напојување за некои болници и базни станици. Оловно-киселинските батерии главно се составени од олово, олово диоксид и раствор на сулфурна киселина, а нивниот напон може да достигне околу 2V. Дури и во модерните времиња, оловно-киселинските батерии не се елиминирани поради нивната зрела технологија, ниските цени и побезбедните системи базирани на вода.
Равенката на реакцијата на електродата на оловно-киселинската батерија:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Негативна електрода: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
Никел-кадмиумската батерија, измислена од шведскиот научник Валдемар Јунгнер во 1899 година, е пошироко користена во мали мобилни електронски уреди, како што се раните вокмени, поради поголемата енергетска густина од оловните батерии. Слично на оловно-киселинските батерии. Никел-кадмиумските батерии се исто така широко користени од 1990-тите, но нивната токсичност е релативно висока, а самата батерија има специфичен мемориски ефект. Ова е причината зошто често слушаме некои постари возрасни луѓе да велат дека батеријата мора целосно да се испразни пред да се наполни и дека отпадните батерии ќе ја контаминираат земјата итн. (Забележете дека дури и сегашните батерии се многу токсични и не треба да се фрлаат насекаде, но сегашните литиумски батерии немаат придобивки за меморијата, а прекумерното празнење е штетно за животниот век на батеријата.) Никел-кадмиумските батерии се повеќе штетни за животната средина, а нивните внатрешниот отпор ќе се менува со температурата, што може да предизвика оштетување поради прекумерна струја за време на полнењето. Никел-водородни батерии постепено го елиминираа околу 2005 година. Досега, никел-кадмиумските батерии ретко се гледаат на пазарот.
Равенка на електродна реакција на никел-кадмиумска батерија:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Негативна електрода: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
Во 1960-тите, луѓето конечно официјално влегоа во ерата на литиумските батерии.
Самиот литиум метал бил откриен во 1817 година, а луѓето набрзо сфатиле дека физичките и хемиските својства на литиум металот инхерентно се користат како материјали за батерии. Има мала густина (0.534 g 〖cm〗^(-3)), голем капацитет (теоретски до 3860 mAh g^(-1)) и низок потенцијал (-3.04V во споредба со стандардната водородна електрода). Овие речиси им кажуваат на луѓето дека сум материјалот за негативна електрода на идеалната батерија. Сепак, самиот литиум метал има огромни проблеми. Премногу е активен, бурно реагира со вода и има високи барања за работната средина. Затоа, луѓето долго време беа беспомошни со тоа.
Во 1913 година, Луис и Киз го измериле потенцијалот на електродата од литиум метал. И спроведе тест на батеријата со литиум јодид во раствор на пропиламин како електролит, иако не успеа.
Во 1958 година, Вилијам Сидни Харис спомна во својата докторска теза дека ставил литиум метал во различни раствори на органски естер и го набљудувал формирањето на низа слоеви на пасивација (вклучувајќи го и литиум метал во перхлорна киселина). Литиум LiClO_4
Феноменот во PC растворот на пропилен карбонат, а овој раствор е витален електролитен систем во литиумските батерии во иднина), а забележан е и специфичен феномен на пренос на јони, па врз основа на ова се направени некои прелиминарни експерименти за електроталожење. Овие експерименти официјално доведоа до развој на литиумски батерии.
Во 1965 година, НАСА спроведе длабинска студија за феноменот на полнење и празнење на Li||Cu батериите во растворите за персонален компјутер со литиум перхлорат. Други електролитни системи, вклучувајќи ја и анализата на LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Ова истражување предизвика голем интерес за органските електролитски системи.
Во 1969 година, патент покажа дека некој почнал да се обидува да ги комерцијализира батериите со органски раствор користејќи метали на литиум, натриум и калиум.
Во 1970 година, јапонската корпорација Panasonic ја измисли батеријата Li‖CF_x ┤, каде што односот x е генерално 0.5-1. CF_x е флуоројаглерод. Иако флуорниот гас е многу токсичен, самиот флуоројаглерод е бел нетоксичен прав. Појавата на батеријата Li‖CF_x ┤ може да се каже дека е првата вистинска комерцијална литиумска батерија. Батеријата Li‖CF_x ┤ е примарна батерија. Сепак, неговиот капацитет е огромен, теоретскиот капацитет е 865 mAh 〖Kg〗^(-1), а неговиот напон на празнење е многу стабилен на долг дострел. Оттука, моќта е стабилна, а феноменот на само-празнење мал. Но, има неверојатни перформанси и не може да се полни. Затоа, генерално се комбинира со манган диоксид за да се направат батерии Li‖CF_x ┤-MnO_2, кои се користат како внатрешни батерии за некои мали сензори, часовници итн., а не се елиминирани.
Позитивна електрода: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Негативна електрода: Li→〖Li〗^++e^-
Во 1975 година, јапонската корпорација Sanyo ја измисли батеријата Li‖MnO_2 ┤, која првпат се користеше во соларни калкулатори на полнење. Ова може да се смета како прва литиумска батерија на полнење. Иако овој производ беше голем успех во Јапонија во тоа време, луѓето немаа длабоко разбирање за таков материјал и не го познаваа неговиот литиум и манган диоксид. Каква причина стои зад реакцијата?
Речиси во исто време, Американците бараа батерија за повеќекратна употреба, која сега ја нарекуваме секундарна батерија.
Во 1972 година, MBArmand (имињата на некои научници не беа преведени на почетокот) предложи во конференциски труд M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (каде што M е алкален метал) и други материјали со пруска сина структура. , И го проучувал неговиот феномен на јонска интеркалација. И во 1973 година, J. Broadhead и други од Bell Labs го проучувале феноменот на интеркалација на атомите на сулфур и јод во металните дихалкогениди. Овие прелиминарни студии за феноменот на интеркалација на јони се најважната движечка сила за постепен напредок на литиумските батерии. Оригиналното истражување е прецизно поради овие студии дека подоцна стануваат можни литиум-јонски батерии.
Во 1975 година, Мартин Б. на базенот Li‖TiS_2 ┤. И во 1977 година, Exoon комерцијализираше батерија базирана на Li-Al‖TiS_2┤, во која легура на литиум алуминиум може да ја подобри безбедноста на батеријата (иако сè уште постои позначаен ризик). После тоа, ваквите батериски системи беа сукцесивно користени од Eveready во САД. Комерцијализација на Battery Company и Grace Company. Батеријата Li‖TiS_2 ┤ може да биде првата секундарна литиумска батерија во вистинска смисла, а исто така беше и најжешкиот батериски систем во тоа време. Во тоа време, нејзината енергетска густина беше околу 2-3 пати поголема од онаа на оловно-киселинските батерии.
Позитивна електрода: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Негативна електрода: Li→〖Li〗^++e^-
Во исто време, канадскиот научник MA Py ја измислил батеријата Li‖MoS_2┤ во 1983 година, која може да има енергетска густина од 60-65 Wh 〖Kg〗^(-1) на 1/3C, што е еквивалентно на Li‖TiS_2┤ батерија. Врз основа на ова, во 1987 година, канадската компанија Moli Energy лансираше навистина опширно комерцијализирана литиумска батерија, која беше широко барана ширум светот. Ова требаше да биде историски значаен настан, но иронијата е што тој исто така предизвикува пад на Моли потоа. Потоа, во пролетта 1989 година, компанијата Моли ја лансираше својата втора генерација производи за батерии Li‖MoS_2┤. На крајот на пролетта 1989 година, првата генерација на батериски производ на Моли, Li‖MoS_2┤ експлодираше и предизвика паника од големи размери. Летото истата година беа повлечени сите производи, а на оштетените им беше обештетена. На крајот на истата година, Moli Energy прогласи банкрот и беше купена од јапонскиот NEC во пролетта 1990 година. Вреди да се спомене дека се шпекулира дека Џеф Дан, канадски научник во тоа време, го водел проектот за батерии во Моли. Енергија и поднесе оставка поради неговото противење на продолжувањето на листата на Li‖MoS_2 ┤ батерии.
Позитивна електрода: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Негативна електрода: Li→〖Li〗^++e^-
Досега, батериите од литиум метал постепено го напуштаа видот на јавноста. Можеме да видиме дека во периодот од 1970 до 1980 година, истражувањата на научниците за литиумските батерии главно беа фокусирани на катодни материјали. Конечната цел е секогаш фокусирана на дихалкогениди на преодни метали. Поради нивната слоевита структура (дихалкогенидите на преодните метали сега се нашироко проучувани како дводимензионален материјал), нивните слоеви и Има доволно празнини помеѓу слоевите за да се приспособат на вметнување на јони на литиум. Во тоа време, имаше премалку истражувања за анодните материјали во овој период. Иако некои студии се фокусираа на легирање на литиум метал за да се подобри неговата стабилност, самиот литиум метал е премногу нестабилен и опасен. Иако експлозијата на батеријата на Моли беше настан што го шокираше светот, имаше многу случаи на експлозија на батерии од литиум метал.
Згора на тоа, луѓето не ја знаеја многу добро причината за експлозијата на литиумските батерии. Покрај тоа, литиум металот некогаш се сметаше за незаменлив материјал за негативна електрода поради неговите добри својства. По експлозијата на батеријата на Моли, прифаќањето на литиум металните батерии кај луѓето драстично падна, а литиумските батерии влегоа во мрачен период.
За да имаат побезбедна батерија, луѓето мора да почнат со штетниот материјал на електродата. Сепак, тука има низа проблеми: потенцијалот на литиум металот е плиток, а употребата на други сложени негативни електроди ќе го зголеми негативниот електроден потенцијал, и на овој начин, литиумските батерии Целокупната потенцијална разлика ќе се намали, што ќе ја намали енергетската густина на бурата. Затоа, научниците треба да го пронајдат соодветниот високонапонски катоден материјал. Во исто време, електролитот на батеријата мора да одговара на позитивниот и негативниот напон и стабилноста на циклусот. Во исто време, спроводливоста на електролитот и отпорноста на топлина е подобра. Оваа серија прашања долго време ги збунуваше научниците за да најдат позадоволителен одговор.
Првиот проблем што треба да го решат научниците е да пронајдат безбеден, штетен електрода материјал кој може да го замени литиумскиот метал. Самиот литиум има преголема хемиска активност, а низа проблеми со растот на дендритите беа премногу сурови за околината и условите за употреба и не е безбеден. Графитот сега е главното тело на негативната електрода на литиум-јонските батерии, а неговата примена во литиумските батерии е проучена уште во 1976 година. Во 1976 година, Бесенхард, ЈО спроведе подетална студија за електрохемиската синтеза на LiC_R. Сепак, иако графитот има одлични својства (висока спроводливост, висок капацитет, низок потенцијал, инертност итн.), во тоа време, електролитот што се користи во литиумските батерии е генерално PC растворот на LiClO_4 споменат погоре. Графитот има значителен проблем. Во отсуство на заштита, молекулите на компјутерот на електролитот исто така ќе влезат во структурата на графитот со интеркалација на литиум-јони, што ќе резултира со намалување на перформансите на циклусот. Затоа, графитот не бил фаворизиран од научниците во тоа време.
Што се однесува до катодниот материјал, по истражувањето на фазата на литиум метална батерија, научниците открија дека самиот материјал за складирање на литиум е исто така материјал за складирање на литиум со добра реверзибилност, како што се LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) и така натаму, и врз оваа основа, развиени се 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 и други материјали. Научниците постепено се запознаваа со различните 1-димензионални јонски канали (1D), 2-димензионални слоевити јонски интеркалации (2D) и 3-димензионални структури на мрежа за пренос на јони.
Во тоа време се случи и најпознатото истражување на професорот Џон Б. Гуденау за LiCoO_2 (LCO). Во 1979 година, Гуденугд и сор. беа инспирирани од статија за структурата на NaCoO_2 во 1973 година и го открија LCO и објавија статија за патент. LCO има слоевита интеркалациона структура слична на дисулфидите на преодните метали, во кои јоните на литиум можат реверзибилно да се вметнат и извлечат. Ако јоните на литиум се целосно извлечени, ќе се формира тесно спакувана структура на CoO_2 и може повторно да се вметне со јони на литиум за литиум (Се разбира, вистинската батерија нема да дозволи јоните на литиум целосно да се извлечат, што ќе предизвика брзо распаѓање на капацитетот). Во 1986 година, Акира Јошино, кој сè уште работеше во корпорацијата Asahi Kasei во Јапонија, за прв пат ги комбинираше трите решенија за LCO, кокс и LiClO_4 PC, со што стана првата модерна секундарна литиум-јонска батерија и стана актуелен литиум Камен-темелник на батеријата. Sony брзо го забележа LCO патентот на „доволно добар“ старец и доби овластување да го користи. Во 1991 година, ја комерцијализираше литиум-јонската батерија LCO. Во тоа време се појави и концептот на литиум-јонска батерија, а неговата идеја Исто така продолжува до ден-денес. (Вреди да се напомене дека литиум-јонските батерии од првата генерација на Sony и Akira Yoshino исто така користат тврд јаглерод како негативна електрода наместо графит, а причината е што компјутерот погоре има интеркалација во графитот)
Позитивна електрода: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Негативна електрода: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
Од друга страна, во 1978 година, Арманд, М. предложи употреба на полиетилен гликол (PEO) како цврст полимер електролит за да се реши проблемот погоре дека графитната анода лесно се вградува во молекулите на растворувачот PC (главниот електролит во тоа време сè уште користи PC, DEC мешан раствор), кој за прв пат стави графит во системот на литиумски батерии и го предложи концептот на батерија за лулка (столица-лулка) во следната година. Таквиот концепт продолжи до денес. Сегашните мејнстрим електролитни системи, како што се ED/DEC, EC/DMC, итн., бавно се појавија во 1990-тите и оттогаш се во употреба.
Во истиот период, научниците истражувале и серија батерии: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ батерии, Li‖V〖SE〗_2 ┤ батерии, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 батерии, Li‖ Li ‖I_2 ┤Батерии и сл., затоа што сега се помалку вредни, а нема многу видови на истражување за да не ги воведам детално.
Ерата на развој на литиум-јонски батерии по 1991 година е ерата во која се наоѓаме сега. Овде нема да го сумирам детално процесот на развој, туку накратко ќе го претставам хемискиот систем на неколку литиум-јонски батерии.
Вовед во актуелните системи на литиум-јонски батерии, еве го следниот дел.
одговорете во рок од 6 часа, сите прашања се добредојдени!
