Основная химическая информация

1. Введение

Цель

В этом руководстве обсуждается стандартный подход для определения, определения и решения стандартов безопасности, обработки и квалификации для литий-ионных (литий-ионных) батарей, чтобы помочь внедрению технологии в аэрокосмических приложениях. Информация из множества других источников, касающихся литий-ионных батарей и их аэрокосмических применений, была собрана и включена в этот документ. Используемые источники перечислены в справочном разделе в конце этого документа. Химия Li-Ion очень энергична из-за присущей ей высокой удельной энергии и ее легковоспламеняющегося электролита. Из-за исключительной важности надлежащего проектирования, тестирования и управления литий-ионными батареями рекомендуется, чтобы все правительственные и промышленные пользователи и поставщики этой технологии для применения в космосе, особенно с участием людей, использовали этот документ для соответствующего руководства до Внедрение технологии.

Дальнейшая работа продолжает определять элементы управления и тестирования, необходимые для безопасного использования литий-ионных батарей. Кроме того, продолжаются изменения в химии клеток, которые влияют на безопасное использование и обработку литий-ионной технологии, которые необходимо будет решить. Руководящие принципы должны быть пересмотрены и пересмотрены в течение одного года с целью включения любых недавно разработанных рекомендаций.

Приложения

Литий-ионные аккумуляторы являются перезаряжаемыми (вторичными) батареями. Вторичные батареи используются как устройства энергосбережения, обычно подключаемые к первому источнику энергии и заряженные им, подавая свою энергию на нагрузку по требованию. Вторичные батареи также используются в приложениях, где они обеспечивают питание удаленно от отдельного источника питания, который они периодически возвращаются для перезарядки. Аэрокосмические применения включают в себя мощность для спутников, костюмы космонавтов (внеоборотные действия), планетарные и лунные роверы и наземные системы во время ночных или пиковых нагрузок. Полезные грузы, ракеты-носители и переносные устройства, такие как компьютеры и видеокамеры, могут также использовать вторичные батареи вместо первичных батарей для экономии затрат, чтобы регулировать уровни мощности, превышающие возможности обычных первичных батарей, или из-за активации, скорости или жизненные вопросы. Литий-ионные батареи чаще использовались в переносном электронном оборудовании в 1990-х годах, и к концу 90-х годов они начали приемку для запуска стартовых и спутниковых систем.

2. Основная химическая информация

В литий-ионных батареях используется большое количество химикатов. Литий-ионные батареи избегают вопросов чувствительности к реактивности, безопасности и злоупотребления, связанных с использованием литиевых металлических катодов с использованием подходящего сплава, который позволяет интеркалировать ионы лития; Металлический литий не присутствует в ячейке с нормальной работой. Литий-ионные батареи с жидким электролитом являются перезаряжаемыми батареями и имеют катод из различных классов материалов, которые включают слоистый LiMO2 (M = Co, Ni, Mn или комбинации этих или других металлов, то есть Al, Mg и т. Д.), Оливины ( LiFePO4) или шпинели, такие как оксиды марганца. Анод обычно представляет собой форму углерода, а именно: кокс, природные и синтетические графиты, мезофазные углеродные микрошарики (MCMB) или углеродные волокна. Электролит в этих клетках состоит из комбинации органических карбонатов и соли. Наиболее часто используемой солью является LiPF6 (гексафторфосфат лития). Также использовались другие соли, такие как LiBOB (литий-бисоксалато борат) или LiBF4 (тетрафторборат лития). Заряд и разряд в литий-ионных клетках происходит путем интеркаляции и деинтеркализации ионов лития, соответственно, как показано в приведенных ниже уравнениях.

Рабочее напряжение литий-ионных элементов изменяется в зависимости от выбора материала для анода, катода и электролита; Следует придерживаться рекомендаций производителя относительно пределов напряжения. Емкость, срок службы и безопасность литий-ионной батареи также будут варьироваться в зависимости от выбора компонентов. Типичная литий-ионная ячейка будет функционировать номинально при среднем напряжении 3,6 В, а самая высокая удельная энергия, полученная из самой современной ячейки, превышает 150 Вт / кг. Типичный протокол зарядки для литий-ионных элементов с слоистыми катодами включает в себя постоянный ток на напряжение от 3,9 до 4,2 В (в зависимости от катода из оксида металла и рекомендации производителя) и выдерживается при постоянном напряжении до тех пор, пока ток не упадет до примерно C / 50 или C / 100 (это может варьироваться в зависимости от производителя). Термин «С» означает скорость заряда или разряда в амперах, выраженную как кратность номинальной емкости в ампер-часах (Ач). Благодаря уникальной зарядной характеристике литий-ионных элементов и батарей, зарядка требует специального зарядного устройства, которое может поддерживать ячейки и батареи в пределах указанных пределов напряжения. В некоторых случаях это зарядное устройство может быть «умным» зарядным устройством. Разряд ячейки зависит от используемой нагрузки, но конечное напряжение во время разряда не должно опускаться ниже 2,5 В. Типичный конец разрядных напряжений для батарей в различном оборудовании составляет 3,0 В / ячейка. Внутреннее сопротивление для литий-ионных элементов колеблется от 9 до 120 мОм для небольших (от 1 до 3 Ач) ячеек до около 0,8 мОм для больших (190 Ач) ячеек.

Литий-ионные элементы обычно имеют спиральную или призматическую структуру. Под призматическими типами существуют настоящие призматики, которые представляют собой штабелированные плоские пластины, и другие, которые сложены, чтобы придать призматический вид. Третий сорт, который сегодня все чаще встречается на рынке, представляет собой эллиптический цилиндрический тип, в котором спиральная раневая стяжка сплющена, чтобы придать призматический вид. Как правило, коммерческие ячейки, используемые в сотовых телефонах, являются призматическими ячейками, тогда как те, которые используются в видеокамерах, камерах и ПК, являются цилиндрическими ячейками. Литий-ионные элементы имеют 100% -ную энергоэффективность в течение большей части их жизненного цикла (входная энергия равна выходной энергии). Большинство коммерческих цилиндрических клеток отрицательно относятся к случаю, хотя некоторые из которых имеют алюминиевые корпуса, являются положительными. Большинство призматических ячеек выше 5 Ач являются нейтральными для случая. Состояние заряда (SOC) и температура, при которой клетки хранятся или циклически сильно влияют на необратимую потерю мощности в клетках. Например, одна коммерческая ячейка в период хранения в течение одного года демонстрировала потери менее 2% при 0% SOC и 0 ºC, тогда как при 100% SOC и 40 ºC она составляла около 13%. Температура и глубина разряда, к которым движутся клетки, также влияют на пропускную способность ячеек с жизненным циклом.

Литий-ионные полимерные батареи представляют собой перезаряжаемые батареи, которые имеют полимерные смеси в катоде или аноде или сепараторе или во всех трех. В полимерных клетках используются плоские, скрепленные электроды, которые позволяют изготавливать тонкие ячейки. Ячейки изготовлены из гибких форм и размеров и упакованы в алюминизированные пластиковые пакеты. Электрохимический характер этих ячеек очень похож на жидкие литий-ионные элементы, обсуждавшиеся ранее. Анодом может быть любая форма углерода, а именно природные и синтетические графиты, мезофазные углеродные микрошарики (MCMB) или углеродные волокна (литий-полимерные ячейки). Анодом также может быть металл лития (литиевые полимерные ячейки). Электролит в этих клетках состоит из комбинации органических карбонатов и соли в полимерной матрице. Наиболее часто используемой солью является LiPF (гексафторфосфат лития). Полиакрилонитрилы (PAN), полимеры на основе PVDF (PVDF-HFP, PVDF-CTFE), поливинилхлорид (ПВХ) и т. Д. В некоторых случаях в смолу вводят вспомогательный пластификатор, такой как дибутилфталат, что облегчает уплотнение электродов При низких температурах и давлении. Пластификатор затем испаряется или удаляется с помощью подходящего процесса экстракции растворителем. Номинальное напряжение литий-ионных полимерных элементов с катодом кобальтата составляет около 3,6 В, а полученная плотность энергии может составлять от 145 до 190 Втч / кг. Литий-ионные полимерные ячейки с марганцевым шпинельным катодом имеют номинальное напряжение около 3,8 В и имеют плотности энергии в диапазоне от 130 до 144 Вт / кг. Типичный протокол зарядки для литиевых / литий-ионных полимерных элементов включает в себя постоянный ток на напряжение 4,1 В или 4,2 В (в зависимости от катода из оксида металла и рекомендации производителя) и выдерживается при постоянном напряжении до тех пор, пока ток не опустится до приблизительно С / 100 (это может варьироваться в зависимости от производителя). Подобно литий-ионным ячейкам с жидким электролитом, зарядка литий-полимерных клеток требует специального зарядного устройства из-за их уникальных зарядных характеристик. В некоторых случаях это зарядное устройство может быть «умным» зарядным устройством. Разряд ячейки зависит от используемой нагрузки, но конечное напряжение во время разряда не должно опускаться ниже 2,5 В. Типичные напряжения на концевого разряда для батарей в различном оборудовании составляли 3,0 В / ячейка. Внутреннее сопротивление для литий-полимерных клеток варьирует от 20 до 60 мОм для небольших (от 0,5 до 15 Ач) ячеек и, как ожидается, падает с клетками повышенной емкости.

Достижения в катодных и анодных материалах привели к разработке новых химии Li-Ion. Такие изменения также вызывают изменение напряжения. Оливин-катод является одним из них с катодом LiFePO4. Рабочее напряжение литий-ионной ячейки LiFePO4 составляет 3,3 В. Изменение анодных материалов из графита на материалы на основе титаната, как и в клетках Altairnano, является еще одним примером, когда рабочее напряжение падает до 2,65 В.

Литиевые полимерные элементы обычно плоские и тонкие. Клетки упаковываются в непроницаемые для пара, гибкие многослойные полимерно-алюминиевые мешки. Полимерные ячейки обычно состоят из положительной электродной пластины и отрицательной электродной пластины, соединенной с двумя противоположными сторонами ионно-проводящего сепаратора. Пластины можно укладывать в виде отдельных пластин, Z-folded или складывать другими способами в зависимости от механических свойств отдельных компонентов. Таким образом, ячейка большой емкости будет иметь несколько пластин, уложенных друг на друга, чтобы обеспечить требуемую мощность. Другим распространенным методом укладки ячеек является конфигурация «биселлинга», где центральная пластина (обычно отрицательный электрод) разделяется двумя положительными пластинами с обеих сторон. Существует слой разделителя между центральной отрицательной пластиной и двумя положительными пластинами с обеих сторон. Несколько биселлеров можно уложить, чтобы получить ячейку большей емкости. Полимерные ячейки обычно хорошо работают при низких скоростях заряда и разряда. Тем не менее, ячейки могут быть созданы для конкретных приложений средней и высокой скорости. Из-за более высокого сопротивления, вызванного полимерными материалами, используемыми в электродах и сепараторе, в настоящее время для улучшения ионной проводимости используется небольшое количество жидкого электролита. Состояние заряда (SOC) и температура, при которой клетки хранятся или циклически сильно влияют на необратимую потерю мощности в клетках. Они подобны жидкостным литиевым клеткам.

12 3 4 5 Следующая ⇒