Asal peranti bateri mungkin bermula dengan penemuan botol Leiden. Botol Leiden pertama kali dicipta oleh saintis Belanda Pieter van Musschenbroek pada tahun 1745. Balang Leyden ialah peranti kapasitor primitif. Ia terdiri daripada dua kepingan logam yang dipisahkan oleh penebat. Batang logam di atas digunakan untuk menyimpan dan melepaskan cas. Apabila anda menyentuh rod Apabila bola logam digunakan, botol Leiden boleh menyimpan atau mengeluarkan tenaga elektrik dalaman, dan prinsip serta penyediaannya adalah mudah. Sesiapa yang berminat boleh membuatnya sendiri di rumah, tetapi fenomena pelepasan diri lebih teruk kerana panduannya yang mudah. Secara amnya, semua elektrik akan dinyahcas dalam beberapa jam hingga beberapa hari. Walau bagaimanapun, kemunculan botol Leiden menandakan peringkat baru dalam penyelidikan elektrik.
Pada tahun 1790-an, saintis Itali Luigi Galvani menemui penggunaan wayar zink dan tembaga untuk menyambungkan kaki katak dan mendapati bahawa kaki katak akan berkedut, jadi dia mencadangkan konsep "bioelektrik." Penemuan ini menyebabkan saintis Itali Alessandro tersentak. Bantahan Volta, Volta percaya bahawa kedutan kaki katak datang daripada arus elektrik yang dihasilkan oleh logam dan bukannya arus elektrik pada katak. Untuk menyangkal teori Galvani, Volta mencadangkan Volta Stacknya yang terkenal. Timbunan voltan terdiri daripada kepingan zink dan kuprum dengan kadbod yang direndam dalam air masin di antaranya. Ini adalah prototaip bateri kimia yang dicadangkan.
Persamaan tindak balas elektrod bagi sel voltan:
elektrod positif: 2H^++2e^-→H_2
elektrod negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Pada tahun 1836, saintis British John Frederic Daniell mencipta bateri Daniel untuk menyelesaikan masalah gelembung udara dalam bateri. Bateri Daniel mempunyai bentuk utama bateri kimia moden. Ia terdiri daripada dua bahagian. Bahagian positif direndam dalam larutan kuprum sulfat. Bahagian kuprum yang lain ialah zink yang direndam dalam larutan zink sulfat. Bateri Daniel asal diisi dengan larutan kuprum sulfat dalam balang kuprum dan dimasukkan bekas silinder berliang seramik di tengah. Dalam bekas seramik ini, terdapat rod zink dan zink sulfat sebagai elektrod negatif. Dalam larutan, lubang-lubang kecil di dalam bekas seramik membolehkan kedua-dua kunci bertukar ion. Bateri Daniel moden kebanyakannya menggunakan jambatan garam atau membran separa telap untuk mencapai kesan ini. Bateri Daniel digunakan sebagai sumber kuasa untuk rangkaian telegraf sehingga bateri kering menggantikannya.
Persamaan tindak balas elektrod bateri Daniel:
Elektrod positif: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu
elektrod negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Setakat ini, bentuk utama bateri telah ditentukan, termasuk elektrod positif, elektrod negatif, dan elektrolit. Atas dasar sedemikian, bateri telah mengalami perkembangan pesat dalam tempoh 100 tahun akan datang. Banyak sistem bateri baharu telah muncul, termasuk saintis Perancis Gaston Planté mencipta bateri asid plumbum pada tahun 1856. Bateri asid plumbum Arus keluarannya yang besar dan harga yang rendah telah menarik perhatian luas, jadi ia digunakan dalam banyak peranti mudah alih, seperti elektrik awal. kenderaan. Ia sering digunakan sebagai bekalan kuasa sandaran untuk beberapa hospital dan stesen pangkalan. Bateri asid plumbum terutamanya terdiri daripada plumbum, plumbum dioksida, dan larutan asid sulfurik, dan voltannya boleh mencapai kira-kira 2V. Malah pada zaman moden, bateri asid plumbum masih belum dihapuskan kerana teknologinya yang matang, harga yang rendah, dan sistem berasaskan air yang lebih selamat.
Persamaan tindak balas elektrod bateri asid plumbum:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Elektrod negatif: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
Bateri nikel-kadmium, yang dicipta oleh saintis Sweden Waldemar Jungner pada tahun 1899, lebih banyak digunakan dalam peranti elektronik mudah alih kecil, seperti walkman awal, kerana ketumpatan tenaganya yang lebih tinggi daripada bateri asid plumbum. Sama seperti bateri asid plumbum. Bateri nikel-kadmium juga telah digunakan secara meluas sejak tahun 1990-an, tetapi ketoksikannya agak tinggi, dan bateri itu sendiri mempunyai kesan ingatan tertentu. Inilah sebabnya mengapa kita sering mendengar sesetengah orang dewasa yang lebih tua mengatakan bahawa bateri mesti dinyahcas sepenuhnya sebelum mengecas semula dan bahawa sisa bateri akan mencemari tanah, dan sebagainya. (Perhatikan bahawa walaupun bateri semasa adalah sangat toksik dan tidak boleh dibuang merata-rata, tetapi bateri litium semasa tidak mempunyai manfaat memori, dan lebihan nyahcas berbahaya kepada hayat bateri.) Bateri nikel-kadmium lebih merosakkan alam sekitar, dan Baterinya rintangan dalaman akan berubah mengikut suhu, yang boleh menyebabkan kerosakan akibat arus yang berlebihan semasa pengecasan. Bateri nikel-hidrogen secara beransur-ansur menghapuskannya sekitar tahun 2005. Setakat ini, bateri nikel-kadmium jarang dilihat di pasaran.
Persamaan tindak balas elektrod bateri nikel-kadmium:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Elektrod negatif: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
Peringkat bateri logam litium
Pada tahun 1960-an, orang ramai akhirnya memasuki era bateri litium secara rasmi.
Logam litium sendiri ditemui pada tahun 1817, dan orang ramai tidak lama lagi menyedari bahawa sifat fizikal dan kimia logam litium secara semula jadi digunakan sebagai bahan untuk bateri. Ia mempunyai ketumpatan rendah (0.534g 〖cm〗^(-3)), kapasiti besar (teoretikal sehingga 3860mAh g^(-1)), dan potensi rendahnya (-3.04V berbanding elektrod hidrogen standard). Ini hampir memberitahu orang bahawa saya adalah bahan elektrod negatif bagi bateri yang ideal. Walau bagaimanapun, logam litium sendiri mempunyai masalah besar. Ia terlalu aktif, bertindak balas dengan kuat dengan air, dan mempunyai keperluan yang tinggi pada persekitaran operasi. Oleh itu, untuk masa yang lama, orang tidak berdaya dengannya.
Pada tahun 1913, Lewis dan Keyes mengukur potensi elektrod logam litium. Dan menjalankan ujian bateri dengan litium iodida dalam larutan propylamine sebagai elektrolit, walaupun ia gagal.
Pada tahun 1958, William Sidney Harris menyebut dalam tesis kedoktorannya bahawa dia meletakkan logam litium dalam larutan ester organik yang berbeza dan memerhatikan pembentukan satu siri lapisan pempasifan (termasuk logam litium dalam asid perklorik). Litium LiClO_4
Fenomena dalam larutan PC propilena karbonat, dan penyelesaian ini adalah sistem elektrolit penting dalam bateri litium pada masa hadapan), dan fenomena penghantaran ion tertentu telah diperhatikan, jadi beberapa eksperimen elektrodeposisi awal telah dilakukan berdasarkan ini. Eksperimen ini secara rasmi membawa kepada pembangunan bateri litium.
Pada tahun 1965, NASA menjalankan kajian mendalam tentang fenomena pengecasan dan pelepasan bateri Li||Cu dalam larutan PC litium perklorat. Sistem elektrolit lain, termasuk analisis LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Penyelidikan ini telah menimbulkan minat yang besar dalam sistem elektrolit organik.
Pada tahun 1969, paten menunjukkan bahawa seseorang telah mula cuba mengkomersialkan bateri larutan organik menggunakan logam litium, natrium, dan kalium.
Pada tahun 1970, Panasonic Corporation Jepun mencipta bateri Li‖CF_x ┤, di mana nisbah x biasanya 0.5-1. CF_x ialah fluorokarbon. Walaupun gas fluorin sangat toksik, fluorokarbon itu sendiri adalah serbuk bukan toksik berwarna putih pudar. Kemunculan bateri Li‖CF_x ┤ boleh dikatakan sebagai bateri litium komersial sebenar yang pertama. Bateri Li‖CF_x ┤ ialah bateri utama. Namun, kapasitinya adalah besar, kapasiti teori ialah 865mAh 〖Kg〗^(-1), dan voltan nyahcasnya sangat stabil dalam jarak jauh. Oleh itu, kuasa adalah stabil dan fenomena pelepasan diri kecil. Tetapi ia mempunyai prestasi kadar yang teruk dan tidak boleh dicaj. Oleh itu, ia biasanya digabungkan dengan mangan dioksida untuk membuat bateri Li‖CF_x ┤-MnO_2, yang digunakan sebagai bateri dalaman untuk beberapa sensor kecil, jam, dsb., dan belum dihapuskan.
Elektrod positif: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Elektrod negatif: Li→〖Li〗^++e^-
Pada tahun 1975, Sanyo Corporation Jepun mencipta bateri Li‖MnO_2 ┤, pertama kali digunakan dalam kalkulator suria boleh dicas semula. Ini boleh dianggap sebagai bateri litium boleh dicas semula pertama. Walaupun produk ini merupakan satu kejayaan besar di Jepun pada masa itu, orang ramai tidak mempunyai pemahaman yang mendalam tentang bahan tersebut dan tidak mengetahui litium dan mangan dioksidanya. Apakah jenis alasan di sebalik reaksi itu?
Pada masa yang hampir sama, orang Amerika sedang mencari bateri boleh guna semula, yang kini kita panggil bateri sekunder.
Pada tahun 1972, MBArmand (nama beberapa saintis tidak diterjemahkan pada mulanya) mencadangkan dalam kertas persidangan M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (di mana M ialah logam alkali) dan bahan lain dengan struktur biru Prusia. , Dan mengkaji fenomena interkalasi ionnya. Dan pada tahun 1973, J. Broadhead dan lain-lain Bell Labs mengkaji fenomena interkalasi atom sulfur dan iodin dalam dichalcogenides logam. Kajian awal tentang fenomena interkalasi ion ini merupakan daya penggerak terpenting bagi kemajuan beransur-ansur bateri litium. Penyelidikan asal adalah tepat kerana kajian ini bahawa bateri litium-ion kemudian menjadi mungkin.
Pada tahun 1975, Martin B. Dines dari Exxon (pendahulu Exxon Mobil) menjalankan pengiraan dan eksperimen awal mengenai interkalasi antara siri logam peralihan dichalcogenides dan logam alkali dan pada tahun yang sama, Exxon adalah nama lain Saintis MS Whittingham menerbitkan paten. pada kolam Li‖TiS_2 ┤. Dan pada tahun 1977, Exoon mengkomersialkan bateri berasaskan Li-Al‖TiS_2┤, di mana aloi aluminium litium boleh meningkatkan keselamatan bateri (walaupun masih terdapat risiko yang lebih ketara). Selepas itu, sistem bateri sedemikian telah digunakan secara berturut-turut oleh Eveready di Amerika Syarikat. Pengkomersialan Syarikat Bateri dan Syarikat Grace. Bateri Li‖TiS_2 ┤ boleh menjadi bateri litium sekunder pertama dalam erti kata sebenar, dan ia juga merupakan sistem bateri paling hangat pada masa itu. Pada masa itu, ketumpatan tenaganya adalah kira-kira 2-3 kali ganda daripada bateri asid plumbum.
Elektrod positif: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Elektrod negatif: Li→〖Li〗^++e^-
Pada masa yang sama, saintis Kanada MA Py mencipta bateri Li‖MoS_2┤ pada tahun 1983, yang boleh mempunyai ketumpatan tenaga 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) pada 1/3C, yang bersamaan dengan Li‖TiS_2┤ bateri. Berdasarkan ini, pada tahun 1987, syarikat Kanada Moli Energy melancarkan bateri litium yang benar-benar dikomersialkan secara meluas, yang dicari secara meluas di seluruh dunia. Ini sepatutnya menjadi peristiwa penting dari segi sejarah, tetapi ironinya ialah ia juga menyebabkan kemerosotan Moli selepas itu. Kemudian pada musim bunga 1989, Syarikat Moli melancarkan produk bateri Li‖MoS_2┤ generasi kedua. Pada penghujung musim bunga tahun 1989, produk bateri Li‖MoS_2┤ generasi pertama Moli meletup dan menyebabkan panik berskala besar. Pada musim panas tahun yang sama, semua produk telah ditarik balik, dan mangsa diberi pampasan. Pada penghujung tahun yang sama, Moli Energy mengisytiharkan muflis dan telah diperoleh oleh NEC Jepun pada musim bunga tahun 1990. Perlu dinyatakan bahawa dikhabarkan bahawa Jeff Dahn, seorang saintis Kanada pada masa itu, mengetuai projek bateri di Moli Tenaga dan meletak jawatan kerana penentangannya terhadap penyenaraian berterusan bateri Li‖MoS_2 ┤.
Elektrod positif: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Elektrod negatif: Li→〖Li〗^++e^-
Setakat ini, bateri logam litium secara beransur-ansur meninggalkan pandangan orang ramai. Kita dapat melihat bahawa dalam tempoh 1970 hingga 1980, penyelidikan saintis mengenai bateri litium tertumpu terutamanya pada bahan katod. Matlamat akhir sentiasa tertumpu pada dichalcogenides logam peralihan. Kerana struktur berlapisnya (dichalcogenides logam peralihan kini dikaji secara meluas sebagai bahan dua dimensi), lapisannya dan Terdapat jurang yang cukup antara lapisan untuk menampung kemasukan ion litium. Pada masa itu, terdapat terlalu sedikit penyelidikan mengenai bahan anod dalam tempoh ini. Walaupun beberapa kajian telah memberi tumpuan kepada pengaloian logam litium untuk meningkatkan kestabilannya, logam litium itu sendiri terlalu tidak stabil dan berbahaya. Walaupun letupan bateri Moli adalah peristiwa yang mengejutkan dunia, terdapat banyak Kes letupan bateri logam litium.
Lebih-lebih lagi, orang ramai tidak mengetahui punca letupan bateri litium dengan baik. Di samping itu, logam litium pernah dianggap sebagai bahan elektrod negatif yang tidak boleh ditukar kerana sifatnya yang baik. Selepas letupan bateri Moli, penerimaan orang ramai terhadap bateri logam litium merosot, dan bateri litium memasuki tempoh gelap.
Untuk mendapatkan bateri yang lebih selamat, orang ramai mesti bermula dengan bahan elektrod yang berbahaya. Namun, terdapat beberapa siri masalah di sini: potensi logam litium adalah cetek, dan penggunaan elektrod negatif kompaun lain akan meningkatkan potensi elektrod negatif, dan dengan cara ini, bateri litium Perbezaan potensi keseluruhan akan dikurangkan, yang akan mengurangkan ketumpatan tenaga ribut. Oleh itu, saintis perlu mencari bahan katod voltan tinggi yang sepadan. Pada masa yang sama, elektrolit bateri mesti sepadan dengan voltan positif dan negatif serta kestabilan kitaran. Pada masa yang sama, kekonduksian elektrolit Dan rintangan haba adalah lebih baik. Siri soalan ini membingungkan saintis untuk masa yang lama untuk mencari jawapan yang lebih memuaskan.
Masalah pertama yang perlu diselesaikan oleh saintis ialah mencari bahan elektrod yang selamat dan berbahaya yang boleh menggantikan logam litium. Logam litium sendiri mempunyai terlalu banyak aktiviti kimia, dan satu siri masalah pertumbuhan dendrit telah terlalu keras terhadap persekitaran dan keadaan penggunaan, dan ia tidak selamat. Grafit kini merupakan badan utama elektrod negatif bateri litium-ion, dan penggunaannya dalam bateri litium telah dikaji seawal tahun 1976. Pada tahun 1976, Besenhard, JO telah menjalankan kajian yang lebih terperinci mengenai sintesis elektrokimia LiC_R. Walau bagaimanapun, walaupun grafit mempunyai sifat yang sangat baik (konduksi tinggi, kapasiti tinggi, potensi rendah, lengai, dll.), Pada masa itu, elektrolit yang digunakan dalam bateri litium secara amnya adalah larutan PC LiClO_4 yang disebutkan di atas. Grafit mempunyai masalah yang ketara. Sekiranya tiada perlindungan, molekul PC elektrolit juga akan memasuki struktur grafit dengan interkalasi litium-ion, mengakibatkan penurunan dalam prestasi kitaran. Oleh itu, grafit tidak digemari oleh saintis pada masa itu.
Bagi bahan katod, selepas penyelidikan peringkat bateri logam litium, saintis mendapati bahawa bahan anod lithiation itu sendiri juga merupakan bahan simpanan litium dengan kebolehterbalikan yang baik, seperti LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) dan seterusnya, dan atas dasar ini, 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 dan bahan lain telah dibangunkan. Dan saintis secara beransur-ansur membiasakan diri dengan pelbagai saluran ion 1 dimensi (1D), interkalasi ion berlapis 2 dimensi (2D), dan struktur rangkaian penghantaran ion 3 dimensi.
Penyelidikan Profesor John B. Goodenough yang paling terkenal tentang LiCoO_2 (LCO) juga berlaku pada masa ini. Pada tahun 1979, Goodenougd et al. telah diilhamkan oleh artikel mengenai struktur NaCoO_2 pada tahun 1973 dan menemui LCO dan menerbitkan artikel paten. LCO mempunyai struktur interkalasi berlapis yang serupa dengan disulfida logam peralihan, di mana ion litium boleh dimasukkan dan diekstrak secara balik. Jika ion litium diekstrak sepenuhnya, struktur CoO_2 yang padat rapat akan terbentuk, dan ia boleh dimasukkan semula dengan ion litium untuk litium (Sudah tentu, bateri sebenar tidak akan membenarkan ion litium diekstrak sepenuhnya, yang mana akan menyebabkan kapasiti mereput dengan cepat). Pada tahun 1986, Akira Yoshino, yang masih bekerja di Asahi Kasei Corporation di Jepun, menggabungkan tiga penyelesaian LCO, kok, dan LiClO_4 PC buat kali pertama, menjadi bateri sekunder litium-ion moden yang pertama dan menjadi litium semasa. bateri. Sony segera menyedari paten LCO lelaki tua yang "cukup baik" itu dan mendapat kebenaran untuk menggunakannya. Pada tahun 1991, ia mengkomersialkan bateri lithium-ion LCO. Konsep bateri litium-ion juga muncul pada masa ini, dan ideanya Juga berterusan hingga ke hari ini. (Perlu diingat bahawa bateri lithium-ion generasi pertama Sony dan Akira Yoshino juga menggunakan karbon keras sebagai elektrod negatif dan bukannya grafit, dan sebabnya ialah PC di atas mempunyai interkalasi dalam grafit)
Elektrod positif: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Elektrod negatif: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
Sebaliknya, pada tahun 1978, Armand, M. mencadangkan penggunaan polietilena glikol (PEO) sebagai elektrolit polimer pepejal untuk menyelesaikan masalah di atas bahawa anod grafit mudah tertanam dalam molekul PC pelarut (elektrolit arus perdana pada masa itu masih menggunakan PC, larutan campuran DEC), yang meletakkan grafit ke dalam sistem bateri litium buat kali pertama, dan mencadangkan konsep bateri kerusi goyang (kerusi goyang) pada tahun berikutnya. Konsep sebegini berterusan sehingga kini. Sistem elektrolit arus perdana semasa, seperti ED/DEC, EC/DMC, dsb., hanya muncul secara perlahan pada tahun 1990-an dan telah digunakan sejak itu.
Dalam tempoh yang sama, saintis juga meneroka beberapa siri bateri: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ bateri, Li‖V〖SE〗_2 ┤ bateri, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 bateri, Li‖CuO,┤ Li ‖I_2 ┤Bateri, dsb., kerana ia kurang berharga sekarang, dan tidak terdapat banyak jenis penyelidikan sehingga saya tidak akan memperkenalkannya secara terperinci.
- Li-ion bateri peringkat
Era pembangunan bateri lithium-ion selepas 1991 adalah era yang kita alami sekarang. Di sini saya tidak akan meringkaskan proses pembangunan secara terperinci tetapi secara ringkas memperkenalkan sistem kimia beberapa bateri lithium-ion.
Pengenalan kepada sistem bateri litium-ion semasa, berikut ialah bahagian seterusnya.
