了解电池类型、组件和电池材料测试在开发和生产的作用

任何设备,可以将其化学能转换为电能通过reduction-oxidation(氧化还原反应)涉及其活性材料,俗称电极,现在教学法上称为电池。¹从本质上讲,一个电池包含一个或多个相同的细胞,每个存储电能的化学能量分离的两个电极电解液。²

通过浸泡两种不同的金属或金属化合物(电极)成一个ion-conducting系统(电解质),电子会从一个电极转移到另一个,利用基本电极的电化学性质。连接负载时,电子从一个电极流向另一个开始,发电。这就是所谓的卸货。在充电或放电过程中,相反的可能应用于电极,导致电子回到原来的位置。通常,ion-porous分离器是放置在两个电极之间的电解质,以防止短路。图1显示了第一个锂离子(李的示意图- - - - - -离子)可充电电池。³

图1: 示意图说明第一个锂离子电池。来源:作者,改编自Goodenough et al。³

在本文中,我们将考虑的主要类型的电池,电池组件和材料和电池材料的原因和方法进行测试。

电池可能是最普遍的和最古老的人类历史上形式的能源存储技术。⁴尽管如此,直到1749年,本杰明富兰克林的“电池”这个术语是描述几个电容(称为莱顿瓶,在镇上发现),串联连接。“电池”这个词可能是选择基于类比现有术语用于描述一组类似的设备操作,像电池的大炮。有趣的是,在当今时代,除非显式指定,术语“电池”普遍指的是电化学电池用于产生电能,甚至单个细胞现在称为电池。

沿时间轴的技术发展,一些引人注目的进步发挥了重要的作用在塑造和发展现代电池。这是猜测,帕提亚人文明的居民在1700年代电镀金银上使用jar铜缸内由一个铁棒,一个组合称为“巴格达电池”。然而,亚历山大·沃尔塔被认为是电池的真正发现者。¹他并介绍了在1800年第一次成功演示现代电池,通常被称为伏打堆。其他发展包括丹尼尔电池在1836年和第一可充电电池- - - - - -酸电池,1854年。锂电池是最后出现在电池技术的发展,只有在1970年代引入的。图2说明了时间轴介绍常见的类型的电池。

图2: 的历史时间轴的引入一些常见的电池。来源:作者。

主要有两种类型的电池。这些都是主要的电池和二次电池。表1提供了一个概述的主要商业化学电池,连同他们的类(小学/中学)和典型的应用领域的例子。让我们更详细地考虑更常见的类型。

主要的电池

这些也被称为一次性电池。他们是专为单一使用,然后丢弃没有充电的可能性。一旦耗尽他们的能量,他们需要被取代。主电池组装在带电状态和他们的能力是有限的能量获得从反应物的量放在他们在制造。图3显示了流程流图的材料和资源的生命周期主要电池。⁵显著的主电池的例子包括碱性电池和锂金属电池。

图3: 主电池的工艺流程图。信贷:技术网络。188金宝搏备用

——碱性电池

碱性电池是一种常见的主电池,广泛应用于各种电子设备,如手电筒、遥控器、玩具和便携式电子设备。这种类型的电池通常使用(锌)作为负极锌和二氧化锰(MnO₂)作为正极,碱性电解质,通常氢氧化钾(KOH)在电极之间。碱性电池提供高能量密度和良好的性能在温和的负载下,保质期长

——锂金属电池

锂金属电池(不要混淆李- - - - - -离子电池)是一种使用金属锂一次电池(李)作为负电极,结合不同的材料,如铁二硫化(菲斯₂)或MnO₂作为正极。这些电池能量密度高,提供轻量级的设计和优良的性能在低和高的温度。锂金属电池提供长寿命和可靠的电力。因此,它们通常用于医疗设备、手表、计算器和备用电源系统。

二次电池

二次电池充电后,电池电流的流动。其他条款,这种类型的电池是可充电电池或蓄电池。二次电池通常聚集在放电状态,必须先被次级过程才能进行放电。⁶可充电电池的工艺流程如图4所示。⁵生产后,消费者可以使用充电电池的一遍又一遍,直到最后他们的使用寿命。如果电池材料回收处理后,恢复金属可用于生产的新电池,或者他们可能被用于另一个应用程序。因此二次电池更环保和具有成本效益的长期主要电池。二次电池的例子包括镍- - - - - -金属氢化物电池(镍氢),铅- - - - - -酸电池,李- - - - - -离子电池和固态电池。

图4: 二次电池的工艺流程图。信贷:技术网络。188金宝搏备用

镍金属氢化物电池

镍氢电池是可充电电池,采用了贮氢合金负极和氧化镍(NiO)作为正极。它们通常用于便携式电子设备,如数码相机、无绳电话和手持游戏设备由于其相对较低的成本,良好的储能能力和有毒物质的缺乏像镉(Cd)。然而,他们遭受自放电和不太宽容过度充电。

——铅酸电池

铅- - - - - -酸电池是最古老、最常用的可充电电池。他们由一个领导(Pb)负电极和氧化铅(PbO)正电极浸在硫酸(H₂所以₄)电解液。铅- - - - - -酸电池的可靠性和鲁棒性,使其适合应用,如汽车启动电池,备用电源系统和可再生能源存储。虽然铅- - - - - -酸电池有一个相对较低的能量密度与新的电池技术相比,他们仍然受欢迎由于其相对较低的成本和交付大电流的能力。

——锂离子电池

李- - - - - -离子电池是可充电电池,使用李化合物作为正极和负极上的活性物质。李- - - - - -离子电池提供能量密度高,自放电率低,轻量级的设计。他们有更长的寿命和更高的功率密度比其他充电电池。李- - - - - -离子电池已成为广泛应用的标准选择包括电动车(电动车),移动设备和可再生能源存储系统。

——固态电池

固态电池由于其潜在的安全引起了相当大的关注,更高的能量密度,更快的充电功能,更宽的工作温度范围和循环寿命的好处。他们使用固态电解质的液体或凝胶用于其他传统电池。固态电池被认为是一种很有前途的下一代电池技术有可能彻底改变各种行业,包括电动汽车和消费电子产品,通过提供改进的能源存储解决方案减少环境影响。

表1:概述常见的商业电池系统和典型应用的例子,改编自冬季et al。⁷和史密斯等。⁶

蓄电池隔板

电池分离器通常是一个多孔膜放置在正面和负面的电极之间保持电极分开,防止电气短路。⁸他们应该很好的电子绝缘体,同时允许离子的快速运输需要完成的电路在电池的放电和/或费用。固有的离子运输可通过或通过浸渍分离器与电解质的离子电导率。先进电池、分隔符的功能变得更加复杂和要求。每个可用的分离器的特点必须评估时对电池系统的要求选择一个分隔符。包括以下关键因素影响分离器选择他们一定/:⁸

• 电子绝缘性能
• 最小的电解质(离子)阻力
• 机械和尺寸稳定性
• 足够的体力允许简单的处理
• 化学耐电解液降解、杂质和电极反应物和产物
• 有效预防颗粒或胶体溶性物种的迁移在两个电极之间
• 由电解液容易湿
• 制服在厚度和其他属性

在许多应用程序中,一个妥协要求分离器通常必须优化性能,安全,成本,等。例如,如果电池所需的内部阻力小,他们可能需要高度多孔和薄的分隔符,但需要足够的体力可能要求他们厚。分隔符在密封镍- - - - - -镉研究所和镍氢电池要求高透气性防止过度充电。李- - - - - -离子电池分离器应该增强安全关闭机制。碱性电池需要足够灵活分隔符环绕电极。⁸

电池电解液

在1800年亚历山大·沃尔特首先定义电解质。⁹这是一个electron-insulating和ion-conductive层,液体或固体,正面和负面的电极之间的插入。电解质通常认为是液体,例如水或其他溶剂,溶解盐,酸或碱。然而,许多电池,包括传统(AA / AAA / D)电池,包含作为固体电解质在室温下离子导体。虽然电解质的具体特征在不同类型的电池可能会有所不同,其基本作用是相同的。

电解质化学在决定细胞安全中扮演着主要的角色,循环寿命和权力的能力。在水电池,如铅- - - - - -酸和镍氢电池,电解液通常是包含各种盐或酸的水基溶液。水电解质提供良好的离子电导率和一般具有成本效益,甚至被开发- - - - - -离子细胞,主要是由于安全和环境问题。¹⁰然而,他们受到一个狭窄的电化学稳定窗口限制水的电解。¹¹

2015年,“water-in-salt”电解质的概念(明智),典型的“salt-in-water”电解质相比,显示提出了一个扩展的电化学稳定窗口为3.0 V。¹⁰目前,国家最先进的电解液- - - - - -李盐离子电池的应用程序,例如,锂方法(LiPF₆),在非水溶剂溶解有机碳酸酯溶剂捕集,例如,碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)。¹²尽管它无处不在的使用在电动汽车的应用程序中,这些有机电解质限制细胞安全由于其燃烧性和有限的电池工作温度范围- 10°C到60°C在最乐观的情况下。¹²

最近新类的电解质由组合水非水溶剂,继承了水的耐燃性和降解性特征,从非水系统更好的电化学稳定性。¹³然而,一个强有力的推动汽车行业的考虑有机或无机固体电解质使用固态电池。可以将这些电解质陶瓷或聚合物材料具有高离子电导率。他们使金属锂阳极的使用,这可以提高电池的能量密度。固态电池的主要好处是他们增加了安全性,这源于没有易燃液体电解质通常受雇于李- - - - - -离子电池。¹⁴无机固体电解质也可以支持电池操作在低和高的温度(例如,- 50到200°C或更高版本)的常规液体电解质会冻结,沸腾或分解。¹⁴

阳极

阳极电池的负极与氧化有关化学反应释放到外部的电子电路。⁶李- - - - - -离子电池通常使用石墨,碳(C)的一种形式,作为阳极材料。石墨具有分层结构,允许锂离子插入层在充电和放电期间提取。然而,化学与锂的性质导致较低的能量密度。

硅是一种替代石墨因其更高的理论容量锂离子。然而,硅经历重大分别在充放电过程中体积膨胀和收缩,造成机械应力和导致电极退化和电池故障。

可以直接使用金属锂作为阳极材料。金属锂阳极理论容量和能量密度最高,因为他们是最密集的锂材料。然而,金属锂阳极的使用提出的挑战,如树突的形成,这可能会导致短路,安全问题和循环寿命的降低。

铅- - - - - -酸电池特性Pb-based阳极,通常PbO组成₂在Pb衬底。镍氢电池用贮氢合金,如镍(镍)的混合物和金属氢化物,作为阳极材料。阳极吸收氢离子在充电和放电时释放它们。

阴极

细胞的正电极阴极,与还原化学反应有关。⁶李- - - - - -离子电池采用各种阴极材料,包括锂钴氧化物(LCO),磷酸亚铁锂(联赛)和锂镍锰钴氧化物(NMC)。这些阴极材料可以可逆地接受和喷射锂离子进入和从他们的晶体结构在充放电循环。

镍氢电池通常特性镍氢氧化物(NiOOH)阴极材料。阴极吸收氢氧根离子在充电和放电时释放它们。锂- - - - - -空气电池用多孔碳基阴极与周围空气中的氧气,使锂离子和氧之间的可逆的电化学反应在充电和放电。在阴极反应性质和需要一个electrocatalyst electrocatalytic。

当前的收藏家

电流收集器通常是金属箔或导电材料,收集和分发电池操作期间产生的电流。他们在各自电极直接接触,通常由铜和铝由于其高导电性。当前收藏家有时作为终端电池的单个细胞的外部连接,允许电流流动的电池。

之前我们认为电池是怎样制成的,重要的是要注意,电池开发通常需要很长时间,涉及进程通过原型试验,最终从实验室规模的生产线和生产。这个过程可以简要概述如下:

1. 实验室研究探索新材料、化学和配置的电池。
2. 概念验证演示的可行性承诺电池化学和材料在实验室确认。
3. 原型开发概念验证成功后通过进一步细化电池化学和扩展。
4. 绩效评估和迭代改进使用广泛的测试来评估各种性能参数,如能量密度、功率密度、循环寿命和安全特性。
5. 试验性生产优化的原型设计。
6. 扩大和商业生产成功试点后生产。
7. 市场部署商业化的电池为各种应用程序,如电动汽车、便携式电子设备或电网储能。

因此需要大量的工作在化学电池的商业化。建立一个工厂也可以等几年委员会由于挑战复杂的价值链,与数十家供应商所需的所有材料和组件来源。最重要的是,最终的商业生产和制造的电池还包括几个步骤从原材料到组装的电池。一个典型的电池制造过程如下图5所示。

现代制造工厂使用精密制造和高自动化的成本竞争力。¹⁵严格的测试是非常重要的在所有阶段,确保合规的最终电池与所有必要的规范。这些规范包括但不限于安全、循环寿命、成本、可重用性和可持续性的制造过程。一些领域电池测试下面是至关重要。

图5: 基于锂离子电池的电池生产过程的示意图,详细说明主要步骤(灰色齿轮),相应的必要元素(淡蓝色)和控制测量和测试(深蓝色)。 信贷:技术网络,188金宝搏备用改编自Zanotto et al。¹⁹

电池材料杂质

杂质在原材料会影响电池的性能、安全性和寿命。分析原材料测试帮助识别和控制杂质,确保一致的和高质量的电池生产。杂质在电极材料可以阻碍电化学反应,减少产能和加速退化。电极材料的测试保证纯度和一致性,从而导致优化电池的性能。几乎所有的组件电池单独孤立和测试。

电池安全

热,易燃或有毒气体生产的基本因素,导致电池失效。因此,可以提高电池的安全系统首先避免导致热量和气体的产生的条件,其次,如果真的发生,通过管理产生的热量和天然气减轻电池故障。安全通风口和当前中断设备开放以应对压力增加细胞内允许气体逃逸是现代电池安装在避免细胞破裂。关闭分隔符和智能电池管理系统也使用。这些特性进行可靠性测试之前引入生产线。重大的修改也可以对电池组件,如阴极、阳极和电解质,让他们固有的安全。

锂离子电池的失败率是估计1 4000万年如果存储和manufacturer-recommended范围内操作。¹⁶然而,不可预知的情况下,如收费过高,外部加热和机械滥用,可能这个失效概率大大增加。有很多知名电池失效事故,造成重大不利影响的许多手机制造商以及公司利用特定电池技术在他们的产品。因此,严格的测试的电池材料,组件和相关辅助系统在恶劣的条件下执行测试的“最坏情况”,即使电池可能永远不会经历这样的条件下正常使用。

热失控

热失控与电池相关的一个重要问题,特别是锂离子电池。它指一个电池经历一个自我维持的和不可控的温度上升的结果电化学反应在充电或放电。热,不有效地消散时,进一步加速其他反应,增加电池温度,创造一个积极的反馈回路。电池热失控的可能会导致失败,甚至发生火灾或爆炸。

现代电池包很多的能量。例如,一个55啊电池的能量相当于一个手榴弹(150 g (TNT)。¹⁷因此电池或包包装,通常与保护电路等安全特性和热管理系统。这些系统必须进行精确的检测功能。质量控制措施,包括目视检查,电气测试和环境测试,以确保实现电池可以控制一个意想不到的温升以及满足规范和各种监管机构设定的安全标准。

电池退化

电池制造后,持续的监控和测试评估长期绩效至关重要,安全可靠。材料试验识别潜在的降解机制很重要,如电极材料分解或电解液分解。通过监控这些材料,制造商可以识别改进作文或设计来提高电池的寿命和稳定性。现代电池管理系统有一个广泛的功能,包括电荷的状态估计、放电深度、健康状态和状态的函数。这些一起保护电池过热和有用的数据报告。实际上,每个电池生产继续报告关键数据的制造商,以确保优化过程和识别关键部件造成电池退化。

降低成本

为了保持竞争力,电池生产需要降低成本。通过测试和了解材料特性、电池制造商可以优化设计,减少依赖昂贵的或稀缺的材料和开发更具成本效益的生产过程。制造商也可以识别方法提高电化学反应,提高能源存储容量和延长循环寿命。测试生产是至关重要的会议期间监管标准和认证相关的安全、环境影响和性能需求,避免罚款或事故的风险。

分析测试电池工业的一部分,确保质量、性能和电池组件和产品的安全。通过使用一系列技术和分析各种组件,制造商可以优化电池的性能,识别潜在的问题和满足日益增长的可靠和有效的能源存储系统的要求。进行这些测试在不同阶段,包括开发、生产和后期制作监测使用一系列的分析技术。制造商通常评估组成、原材料属性和行为,电池泥浆、电极、电解质和其他组件。关键的方面的概述分析测试是下面。本文是基于锂离子电池是当今最常见的电池类型之一但不是独家锂离子电池。

原材料分析:

原材料是电池生产过程的起点,因此分析测试的起点。感兴趣的主要属性包括化学成分、纯洁和材料的物理性质如锂、钴、镍、锰、铅、石墨和各种添加剂。光谱分析技术,如x射线荧光原子吸收,色谱法和元素分析有助于确定杂质,确保材料质量和评估它们是否适合电池应用。¹⁸大多数金属都从各自的矿石中提取和净化要求严格的分析。然而,这是不被认为是电池生产过程的一部分。

电池浆分析:

大多数电池电极的电活性材料涂层对当前收集器。外套这种活性物质,粉末变成泥浆通过与合适的混合溶剂。电池泥浆通常由活跃的材料、粘结剂、导电添加剂和溶剂。计算泥浆的粘度、固体含量、粒度分布和化学成分。流变学测量技术帮助分析师理解泥浆的特性,以确保适当的电极涂层和促进节能干燥电极优化电池的性能和降低成本。¹⁹

电极分析:

电池的电极心脏,所有的电化学反应发生。之前测试电极的电池组装提供了洞察他们的组成、形貌和电化学性能。技术,如扫描电子显微镜(SEM)能量色散x射线能谱(EDS)、x射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)是常用的。这些方法帮助评估电极结构的完整性,识别出任何缺陷或杂质和评估活动材料的有效性。现代电化学测试技术,如扫描电化学显微镜^20.,21细胞和扫描电化学显微镜,^22,23还使分析单电极和电极材料在纳米尺度上对更好的理解一般电极的电化学性能。

电解质分析:

电池的电解液是一个关键组成部分,及其分析包括考察其稳定性和离子导电性。这些属性通常依赖于化学成分,也进行了分析。技术如色谱法、质谱(MS),核磁共振(NMR)谱帮助分析电解液的成分,检测杂质,确保适当的离子迁移率。电化学阻抗谱(EIS)是另一个技术用于评估性能的电解质和离子扩散的阻力。

电池性能测试:

分析测试还包括评估电池性能参数,如容量、能量密度、循环寿命和安全特性。技术如循环伏安法、恒电流充放电测试、差示扫描量热法(DSC)和热稳定性分析通常使用。这些测试评估电池高效存储和释放能量的能力,监测其恶化随着时间的推移,确保符合安全标准。²⁴

后期制作监控:

电池生产后,进行分析测试后期制作监测和质量控制至关重要。这包括定期取样和测试电池的批次验证一致性和符合规范。技术在这一阶段可能涉及相同的方法前面所提到的,专注于性能验证、安全评估和批次一致性。

日益增长的能源需求存储在不同的领域,包括电动汽车和可再生能源系统,使电池的开发有前途的技术领域。²⁵汽车制造商正努力增加电动汽车行驶里程,减少充电次数,提高汽车的整体性能。电池技术将继续发展,目标能量密度高,循环寿命长,更快的充电功能,改善热管理和安全。研究人员将继续探索新的电极材料,例如硅阳极,固态电解质和先进的阴极化学反应(如nickel-rich配方)来提高整体性能。

强调发展环境友好型和可持续增长的电池,减少关键钴和镍等原材料的依赖,这往往与社会和环境问题,预计。使用更丰富和环保材料替代化学反应像钠- - - - - -离子、锌- - - - - -离子和锂- - - - - -硫电池可能会变得受欢迎。

目前锂离子电池的安全问题继续推动固态电池的发展提供好处比如更高的能量密度,改善安全性和更广泛的工作温度范围。²⁶虽然仍在研究和开发阶段,固态电池有可能彻底改变能源存储应用程序,尤其是电动汽车。电池行业将发挥至关重要的作用在满足这些需求通过持续创新和扩大生产能力。电网储能系统,利用大型电池,将稳定电网,所需管理需求高峰和储存多余的太阳能和风能等可再生能源来源。

电池行业将需要开发有效的和有效的解决方案以满足日益增长的需求,电网储能。特别是,随着电池使用的体积增加,电池回收的重要性和“第二人生”的应用程序被强调。建立健壮的回收基础设施和流程将基本恢复珍贵材料和环境影响最小化。例如,退休的电动汽车电池可以回收或重新设定固定的能量储存,延长其使用寿命和减少浪费。与许多行业一样,未来电池研究和制造可能会经历巨大的数字化¹⁵如机器学习和受益于计算机援助²⁷和人工智能。²⁸