سلول باتری چیست؟

سلول باتری چیست؟

ساختار سلولی

یک باتری منفرد که به عنوان "سلول" نیز شناخته می شود، کوچکترین واحد یک سیستم باتری است. همانطور که در شکل 7-1 نشان داده شده است، عمدتاً از کاتد (الکترود کاتد)، آند (الکترود آند)، الکترولیت (الکترولیت)، جداکننده (جداکننده) و کیس (Case) تشکیل شده است.

ورق الکترود یک سلول یونی لیتیوم{0}}را می توان به عنوان یک ماده مرکب طبقه بندی کرد که عمدتاً از چهار قسمت تشکیل شده است:

1) ذرات ماده فعالی که یون های لیتیوم را در هم می آمیزند یا از بین می برند. ذرات کاتد منبع لیتیوم را فراهم می کنند، در حالی که ذرات آند یون های لیتیوم را می پذیرند.

2) فاز رسانا (فاز ژل کربن) که از مخلوط عامل رسانا و کلکتور جریان تشکیل شده است، با اتصال دهنده عملکرد پیوند را ایفا می کند. پوشش الکترون ها را از طریق کلکتور جریان و عامل رسانا هدایت می کند.

3) منافذ پر شده با الکترولیت، که به عنوان کانالی برای انتقال یون لیتیوم در ورقه الکترود عمل می کنند.
 

4) جمع کننده فعلی.

در طول فرآیند الکتروشیمیایی، پوشش الکترود عمدتا شامل 4 فرآیند زیر است:

1) حمل و نقل الکترون

2) انتقال یون

3) تبادل بار در رابط ذرات الکترولیت/الکترود، یعنی واکنش الکتروشیمیایی.

4) انتشار یون های لیتیوم در فاز جامد. در ریزساختار ورق الکترود، اندازه و توزیع ذرات بر مسیر انتشار یون لیتیوم و سطح ویژه واکنش الکتروشیمیایی تأثیر می‌گذارد. اندازه و توزیع منافذ بر فرآیند انتقال الکترولیت تأثیر می گذارد. تخلخل بر مقدار ماده فعال و سطح ویژه واکنش الکتروشیمیایی تأثیر می گذارد. همه این ویژگی‌های ریزساختاری در نهایت بر عملکرد باتری تأثیر می‌گذارند.

ساختار کاتدی

کاتد سلول عمدتاً از مواد کاتدی مانند LiCoO2، عامل رسانا، بایندر (PVDF) و جمع کننده جریان تشکیل شده است.فویل آلومینیومی) همانطور که در شکل 7-2 نشان داده شده است.

برای باتری‌های لیتیوم{0} یون، کلکتور جریان کاتدی معمولاً فویل آلومینیومی است و کلکتور جریان آندفویل مسی. برای اطمینان از پایداری کلکتور جریان در داخل باتری، خلوص هر دو باید بالای 98٪ باشد. دلایلی که چرا باتری‌های لیتیوم{3}} از فویل آلومینیومی برای کاتد و از فویل مسی برای آند استفاده می‌کنند، سه نکته زیر است:

1) مس و آلومینیوم دارای رسانایی الکتریکی خوب، بافت نرم و قیمت پایین هستند. اصل کار یک باتری لیتیوم{2} یونی یک دستگاه الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. در این فرآیند، به یک محیط برای انتقال انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی نیاز است که به یک ماده رسانا نیاز دارد. در میان مواد رایج، فلزات بهترین رسانایی الکتریکی را دارند و در میان فلزات، مس و آلومینیوم هم رسانایی عالی و هم قیمت نسبتاً پایینی را به شکل فویل مس و فویل آلومینیوم ارائه می‌دهند. در باتری‌های لیتیوم{6} یون، عمدتاً دو روش پردازش وجود دارد: سیم پیچی و انباشتگی. در مقایسه با انباشته کردن، سیم پیچی نیاز دارد که ورق های الکترود مورد استفاده برای آماده سازی باتری دارای انعطاف پذیری خاصی باشند تا اطمینان حاصل شود که ورق های الکترود در طول سیم پیچ شکننده یا شکسته نمی شوند. در میان مواد فلزی، فویل‌های مس و آلومینیوم نرم، فویل‌های مس/آلومینیوم نسبتاً سخت گران هستند، ورق‌های مس و آلومینیوم نسبتاً ارزان هستند و منابع مس و آلومینیوم در سراسر جهان فراوان هستند.

2) فویل های مس و آلومینیوم نیز در هوا نسبتاً پایدار هستند. آلومینیوم به راحتی با اکسیژن موجود در هوا واکنش شیمیایی می دهد و یک لایه اکسید متراکم روی سطح ایجاد می کند و از واکنش بیشتر آلومینیوم جلوگیری می کند. این فیلم اکسید مس/آلومینیوم همچنین اثر محافظتی خاصی بر روی آلومینیوم در الکترولیت ایجاد می کند. مس به خودی خود در هوا نسبتاً پایدار است و اساساً در هوای خشک واکنش های شیمیایی انجام نمی دهد.

3) پتانسیل کاتد و آند باتری‌های لیتیوم{1} یونی مشخص می‌کند که از فویل آلومینیومی برای کاتد و از ورق مس برای آند استفاده می‌شود و نمی‌توان آنها را برگرداند. پتانسیل کاتد بالا است و فویل مس به راحتی در پتانسیل بالا اکسید می شود، در حالی که آلومینیوم دارای پتانسیل اکسیداسیون بالا و یک لایه اکسید متراکم بر روی لایه سطحی خود است که همچنین محافظت خوبی برای آلومینیوم داخلی ایجاد می کند.

در شبکه کریستالی آلومینیوم فلزی، مس و آلومینیوم دارای اندازه هایی مشابه Li هستند و به راحتی می توانند ترکیبات بین فلزی مانند LiAl را با Li تشکیل دهند. Li و Al نه تنها می توانند آلیاژ را با فرمول شیمیایی LiAl تشکیل دهند، بلکه ممکن است لایه های آلیاژ Li₉Al4، Li3Al2، Li5Al و Li2Al را نیز تشکیل دهند. این لایه های آلیاژی مقدار زیادی Li را مصرف می کنند و به ساختار و مورفولوژی خود Al آسیب می رسانند، بنابراین نمی توان از آن به عنوان جمع کننده جریان آند باتری های لیتیوم- یون استفاده کرد. در حالی که مس در حین تخلیه{3} شارژ باتری انحلال بسیار کمی می‌یابد و پایداری ساختاری و الکتروشیمیایی را حفظ می‌کند و آن را به عنوان جمع‌کننده جریان آند برای باتری‌های لیتیوم- یونی مناسب می‌سازد. برای فویل مسی در ولتاژ 3.5 ولت، جریان پلاریزاسیون به طور قابل توجهی شروع به افزایش می کند و به صورت خطی با اکسیداسیون تشدید می شود، که نشان می دهد مس نیز شروع به حل شدن در باتری می کند. در حالی که برای فویل آلومینیومی در کل محدوده پتانسیل پلاریزاسیون، جریان پلاریزاسیون کوچک و پایدار است و هیچ پدیده خوردگی آشکاری مشاهده نمی شود و پایداری الکتروشیمیایی را حفظ می کند. از آنجایی که مقدار انحلال Al در محدوده پتانسیل کاتدی باتری‌های لیتیوم{8} یون بسیار کم است و می‌توان پایداری الکتروشیمیایی را حفظ کرد، به عنوان جمع‌کننده جریان کاتدی برای باتری‌های لیتیوم- مناسب است.

لایه اکسید روی سطوح مس/آلومینیوم متعلق به نیمه هادی ها است و الکترون ها را هدایت می کند. اگر لایه اکسید بیش از حد ضخیم باشد، امپدانس بزرگ است. در حالی که لایه اکسید آلومینیوم روی سطح آلومینیوم یک عایق است و نمی تواند الکتریسیته را هدایت کند، اما به دلیل نازک بودن آن، رسانش الکترون از طریق اثر تونل زنی حاصل می شود. اگر لایه اکسید ضخیم باشد، رسانایی فویل مس/آلومینیوم ضعیف یا حتی عایق است. به طور کلی، فویل مس/آلومینیوم باید قبل از استفاده از لایه اکسیدی تمیز شود تا روغن از یک طرف و لایه های اکسید ضخیم از طرف دیگر پاک شود. پتانسیل کاتد بالا است و لایه اکسید آلومینیوم بسیار متراکم است که می تواند از اکسید شدن کلکتور جریان جلوگیری کند. لایه‌های اکسید مس/نیکل و غیره نسبتاً شل هستند، به راحتی از جمع‌کننده جریان جلوگیری می‌کنند و عملکرد باتری بهتری را ارائه می‌دهند. در عین حال، پتانسیل آند باتری‌های لیتیوم{5} یون کم است و مس/نیکل تحت واکنش‌های اکسیداسیون قرار می‌گیرد، با واکنش‌های اکسیداسیون/مس/د{6}}لیتیاسیون روی سطح مس/نیکل رخ می‌دهد، در حالی که آلومینیوم در پتانسیل بالا تحت آلیاژ LiAl قرار می‌گیرد.

کلکتور فعلی به ترکیب خالص نیاز دارد. ناخالصی های موجود در Al باعث می شود لایه سطحی چگالی کمتری داشته باشد و باعث خوردگی حفره ای شود و حتی شدیدتر، تخریب لایه سطحی منجر به تشکیل آلیاژ LiAl می شود.

کلکتور فعلی به ترکیب خالص نیاز دارد. ناخالصی های موجود در Al باعث می شود لایه سطحی چگالی کمتری داشته باشد و منجر به خوردگی حفره ای شود و حتی بدتر از آن، تخریب لایه سطحی منجر به تشکیل آلیاژ LiAl می شود.

برای باتری‌های لیتیوم{0} یون، فویل آلومینیوم کاتدی از 16μm به 14μm کاهش یافته است، سپس به 12μm کاهش یافته است، و اکنون فویل آلومینیومی 10μm در حال تولید انبوه است و برخی حتی از 8μm استفاده می‌کنند. برای فویل مس آند، به دلیل انعطاف پذیری ذاتاً بهتر، ضخامت آن از 12μm قبلی به 10μm و سپس به 8μm کاهش یافته است، و در حال حاضر بخش بزرگی از باتری ها با استفاده از 6μm تولید می شوند، در حالی که برخی از تولیدکنندگان در حال توسعه 5μm/4μm هستند که به طور بالقوه قابل استفاده هستند. از آنجایی که باتری‌های لیتیوم{14} یون دارای خلوص بالایی برای فویل مسی مورد استفاده هستند، چگالی مواد اساساً در یک سطح است. با کاهش ضخامت در حال توسعه، چگالی منطقه ای کاهش می یابد، و وزن باتری به طور طبیعی سبک تر و سبک تر می شود، که تقاضا برای باتری های لیتیوم{16} یون را برآورده می کند.

برای کلکتورهای فعلی، علاوه بر اینکه ضخامت و وزن آنها بر باتری‌های لیتیوم{0} یونی تأثیر می‌گذارد، ویژگی‌های سطحی کلکتور فعلی نیز تأثیر قابل‌توجهی بر تولید و عملکرد باتری دارد. مخصوصاً برای کلکتور جریان آند، به دلیل نقص در فناوری آماده سازی، فویل های مس موجود در بازار عمدتاً از انواع یک طرفه-خشن، دو طرفه-خشن و دو طرفه-درشت شده هستند. این ساختار دو طرفه نامتقارن منجر به مقاومت تماس نامتقارن پوشش آند در هر دو طرف می شود و در نتیجه از آزاد شدن یکنواخت ظرفیت آند در هر دو طرف جلوگیری می کند. در عین حال، عدم تقارن در هر دو طرف نیز باعث قدرت چسبندگی ناهماهنگ پوشش آند می‌شود، که منجر به نامتعادل شدن عمر چرخه تخلیه پوشش آند در دو طرف می‌شود که به نوبه خود کاهش ظرفیت باتری را تسریع می‌کند.

فرمول کاتدی یک سلول تک، فناوری هسته کلیدی سلول است. در زیر یک مثال آورده شده است:

1) LiCoO2 (10μm): 96.0%.

2) عامل رسانا (Carbon ECP): 2.0%.

3) بایندر (PVDF 761): 2.0%.

4) تقویت کننده چسبندگی (NMP): نسبت وزنی مواد جامد تقریباً 810:1496 است.

اقدامات احتیاطی در فرمولاسیون کاتد:

1) کنترل ویسکوزیته دوغاب کاتد در 6000cP (1cP=1mPa · s) (دما 25 درجه).

2) وزن NMP باید به طور مناسب تنظیم شود تا نیاز ویسکوزیته را برآورده کند.

3) به تأثیر دما و رطوبت بر ویسکوزیته توجه ویژه ای داشته باشید.

مواد کاتدی لیتیوم اکسید کبالت: مواد فعال کاتدی، منبع یون لیتیوم، منبع لیتیوم را برای باتری فراهم می کند. ماده غیر قطبی، شکل نامنظم، اندازه ذرات D50 عموماً 6-8 میکرومتر، میزان رطوبت کمتر یا مساوی 0.2٪، معمولاً قلیایی، pH 10-11.

ماده کاتدی لیتیوم اکسید منگنز: ماده غیر قطبی، شکل نامنظم، اندازه ذرات D50 عموماً 7-5 میکرومتر، میزان رطوبت کمتر یا مساوی 0.2 درصد، معمولاً قلیایی ضعیف، pH حدود 8.

عامل رسانا: زنجیری-مواد مانند، رطوبت<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.

بایندر (PVDF): ماده غیرقطبی، زنجیره-، وزن مولکولی از 300000 تا 3000000. وزن مولکولی پس از جذب آب کاهش می یابد و در نتیجه چسبندگی ضعیف تری ایجاد می شود. برای چسباندن اکسید کبالت لیتیوم، عامل رسانا، و فویل آلومینیومی یا مش آلومینیوم به همراه پروموتر چسبندگی (NMP): مایع قطبی ضعیف، برای حل کردن / متورم کردن PVDF و رقیق کردن دوغاب به طور همزمان استفاده می شود.

کلکتور جریان (زبانه کاتد): ساخته شده از فویل آلومینیومی یا نوار آلومینیومی.

ساختار آند

ساختار آند سلولی از مواد گرافیت، عامل رسانا، ضخیم کننده (CMC)، بایندر (SBR) و جمع کننده جریان (ورقه مس) تشکیل شده است، همانطور که در شکل 7-3 نشان داده شده است.

فرمولاسیون آند یک سلول منفرد نیز یکی از فناوری‌های اصلی سلول است که معمولاً به شرح زیر است:

1) مواد آند (گرافیت): 94.5٪.

2) عامل رسانا (Carbon ECP): 1.0٪ (Ketjenblack).

3) بایندر (استایرن-لاتکس لاستیک بوتادین، SBR): 2.25%.

4) ضخیم کننده (کربوکسی متیل سلولز، CMC): 2.25٪.

5) آب: نسبت وزنی مواد جامد 1600:1417.5 است.

اقدامات احتیاطی در فرمولاسیون آند:

1) کنترل ویسکوزیته دوغاب آند در 5000-6000cP (درجه حرارت 25 درجه).

2) وزن آب باید به طور مناسب تنظیم شود تا نیاز ویسکوزیته را برآورده کند.

3) به تأثیر دما و رطوبت بر ویسکوزیته توجه ویژه ای داشته باشید.

گرافیت: ماده فعال آند، ماده اصلی تشکیل دهنده واکنش آند، به طور عمده به دو دسته اصلی تقسیم می شود: گرافیت طبیعی و گرافیت مصنوعی. ماده غیر قطبی، به راحتی توسط مواد غیر قطبی آلوده می شود، به راحتی در مواد غیر قطبی پراکنده می شود. نه به راحتی آب را جذب می کند و نه به راحتی در آب پراکنده می شود. گرافیت آلوده، پس از پراکندگی در آب، تمایل به تجمع مجدد دارد. اندازه کلی ذرات D50 حدود 20μm است. اشکال ذرات متنوع و عمدتاً نامنظم، عمدتاً کروی، پوسته پوسته، فیبری و غیره است.

وظایف عامل رسانا:

1) هدایت ورق آند را بهبود بخشید و رسانایی الکترونیکی ماده فعال آند را جبران کنید.

2) عمق واکنش و میزان استفاده را افزایش دهید.

3)جلوگیری از تولید دندریت

4) از ظرفیت جذب مایع-مواد رسانا برای افزایش سطح مشترک واکنش و کاهش پلاریزاسیون استفاده کنید (با توجه به توزیع اندازه ذرات گرافیت می توان اضافه کرد یا نه).

مواد افزودنی: کاهش واکنش های برگشت ناپذیر، افزایش استحکام پیوند و ویسکوزیته دوغاب و جلوگیری از رسوب دوغاب.

ضخیم کننده/ضد ته نشین کننده (CMC): ترکیب مولکولی بالا، به راحتی در آب و حلال های قطبی حل می شود.

ایزوپروپانول: ماده قطبی ضعیف. علاوه بر این، می تواند قطبیت محلول بایندر را کاهش دهد، سازگاری بین گرافیت و محلول چسب را بهبود بخشد. دارای اثر ضد کف قوی است. به راحتی پیوند متقابل-شبکه بایندر را کاتالیز می کند و استحکام پیوند را بهبود می بخشد.

اتانول: ماده قطبی ضعیف؛ علاوه بر این، می تواند قطبیت محلول بایندر را کاهش دهد، سازگاری بین گرافیت و محلول چسب را بهبود بخشد. دارای اثر ضد کف قوی است. به راحتی اتصال متقاطع خطی-بایندر را کاتالیز می کند و استحکام پیوند را بهبود می بخشد (عملکردهای ایزوپروپانول و اتانول اساساً یکسان هستند؛ هنگام تولید انبوه، عوامل هزینه را می توان در نظر گرفت تا انتخاب شود کدام یک اضافه شود).

چسب بر پایه آب (SBR): گرافیت، عامل رسانا، مواد افزودنی، و فویل مسی یا مش مسی را به یکدیگر متصل می کند. مولکول امولسیون زنجیره خطی، بسیار محلول در آب و حلال های قطبی.

آب دیونیزه (یا آب مقطر): رقیق کننده که به مقدار مناسب اضافه می شود، می تواند سیالیت دوغاب را تغییر دهد.

زبانه آند: از فویل مسی یا نوار مسی ساخته شده است.