Z czego zbudowane są komórki woreczka?

Wewnątrz Power Pouch: Rozpakowywanie materiałów, z których składają się ogniwa Pouch

W naszym coraz bardziej mobilnym i napędzanym technologią świecie, zapotrzebowanie na wydajne i lekkie źródła zasilania gwałtownie wzrosło. Od eleganckiego smartfona w kieszeni po potężny pojazd elektryczny na drodze, ogniwa typu pouch stały się dominującą siłą w technologii akumulatorów. Ich elastyczna konstrukcja i wysoka gęstość energii sprawiają, że są one preferowanym wyborem dla szerokiej gamy zastosowań. Ale z czego dokładnie składają się te wszechobecne źródła zasilania? Proszę do nas dołączyć, a my zagłębimy się w materiałoznawstwo stojące za bateriami typu pouch, badając skomplikowane komponenty, które umożliwiają im przechowywanie i dostarczanie energii.

W swojej istocie, woreczek na baterię to rodzaj baterii litowo-jonowej charakteryzującej się elastycznym, szczelnym opakowaniem, zwykle wykonanym z laminatu aluminiowego. Taka konstrukcja odróżnia ją od sztywnych ogniw cylindrycznych lub pryzmatycznych. Magia tkwi jednak w materiałach, z których zbudowana jest ich wewnętrzna struktura. Przyjrzyjmy się kluczowym komponentom etui na akumulator litowo-jonowy.

Katoda: pozytywna siła napędowa

Katoda jest elektrodą dodatnią, w której jony litu są przechowywane, gdy bateria jest rozładowywana i uwalniane podczas ładowania. Wybór materiału katody znacząco wpływa na gęstość energii, moc wyjściową i żywotność woreczka z baterią litową. Powszechnie stosowanych jest kilka materiałów:

• Tlenek litowo-kobaltowy (LCO): Znany ze swojej wysokiej gęstości energii, LCO jest często spotykany w elektronice użytkowej, takiej jak smartfony i laptopy.
• Tlenek litowo-manganowy (LMO): Oferując niższy koszt i większe bezpieczeństwo w porównaniu do LCO, LMO ma umiarkowaną gęstość energii.
• Tlenek litowo-niklowo-manganowo-kobaltowy (NMC): Zapewniając równowagę między energią, mocą i bezpieczeństwem, NMC jest popularnym wyborem dla pojazdów elektrycznych i elektronarzędzi. Różne formuły NMC (np. NMC 111, NMC 532, NMC 811) oferują różne właściwości użytkowe.
• Tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (NCA): Zapewniając wysoką gęstość energii i dobrą moc, NCA jest stosowany w niektórych wysokowydajnych pojazdach elektrycznych.
• Fosforan litowo-żelazowy (LFP): Znany z wyjątkowego bezpieczeństwa i długiego cyklu życia, LFP zyskuje na popularności w pojazdach elektrycznych i systemach magazynowania energii, mimo że ma niższą gęstość energii niż inne opcje.

Te aktywne materiały są zwykle mieszane z dodatkiem przewodzącym, takim jak sadza, w celu zwiększenia przepływu elektronów, oraz spoiwem, takim jak polifluorek winylidenu (PVDF), w celu przyklejenia materiałów do kolektora prądu. Katoda pokryta jest cienką folią aluminiową, która pełni rolę kolektora prądu. 

Anoda: Nośnik ładunku ujemnego

Anoda jest elektrodą ujemną, na której jony litu są przechowywane podczas ładowania i uwalniane podczas rozładowywania. Najpopularniejszym materiałem anodowym w ogniwach litowo-jonowych jest grafit. Jego warstwowa struktura pozwala na skuteczną interkalację i deinterkalację jonów litu, oferując dobrą równowagę między kosztami, żywotnością i gęstością energii.

Jednakże, aby jeszcze bardziej zwiększyć gęstość energii, naukowcy i producenci coraz częściej włączają krzem do anody. Krzem ma znacznie większą teoretyczną zdolność magazynowania litu niż grafit. Krzemowe anody kompozytowe, w których krzem jest połączony z grafitem lub innymi materiałami węglowymi, stają się coraz bardziej powszechne w zaawansowanych projektach ogniw akumulatorowych. Podczas gdy krzem znacznie rozszerza się podczas wprowadzania jonów litu, co może prowadzić do degradacji mechanicznej, trwające badania koncentrują się na łagodzeniu tego problemu poprzez nowe architektury materiałów i spoiwa. Tytanian litu (LTO) to kolejny materiał anodowy znany z wyjątkowego bezpieczeństwa i bardzo długiej żywotności, choć zazwyczaj ma niższą gęstość energii i jest używany w określonych zastosowaniach, takich jak niektóre autobusy elektryczne.

Elektrolit: Autostrada jonowa

Podczas gdy ciekłe elektrolity dominują obecnie w akumulatorach typu pouchsElektrolity polimerowe cieszą się dużym zainteresowaniem jako obiecujące alternatywy, w szczególności w celu zwiększenia bezpieczeństwa i umożliwienia innowacyjnych projektów baterii. Elektrolity polimerowe, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują polimery jako medium przewodzące jony. Mogą one występować w różnych formach, w tym stałych elektrolitów polimerowych (SPE) i żelowych elektrolitów polimerowych (GPE).

Stałe elektrolity polimerowe (SPE) składają się z soli litu rozpuszczonych w stałej matrycy polimerowej, takiej jak tlenek polietylenu (PEO) lub poliakrylonitryl (PAN). Jedną z głównych zalet SPE jest ich potencjał do znacznej poprawy bezpieczeństwa baterii poprzez wyeliminowanie potrzeby stosowania łatwopalnych i lotnych rozpuszczalników organicznych występujących w tradycyjnych ciekłych elektrolitach. Ta nieodłączna cecha bezpieczeństwa sprawia, że baterie typu pouch wykorzystujące SPE są atrakcyjne dla zastosowań, w których ucieczka termiczna jest głównym problemem. Co więcej, stały charakter elektrolitu może potencjalnie uprościć konstrukcję baterii i umożliwić tworzenie cieńszych i bardziej elastycznych formatów baterii.

Żelowe elektrolity polimerowe (GPE) reprezentują podejście hybrydowe, w którym matryca polimerowa jest spęczniona ciekłym elektrolitem. Takie połączenie ma na celu wykorzystanie zalet bezpieczeństwa polimeru przy jednoczesnym zachowaniu wyższej przewodności jonowej w porównaniu do elektrolitów polimerowych w postaci stałej. Typowe polimery stosowane w GPE obejmują kopolimery polimetakrylanu metylu (PMMA) i polifluorku winylidenu (PVDF). GPE znajdują już zastosowanie w niektórych konstrukcjach akumulatorów jonowo-litowych, oferując pośredni krok w kierunku w pełni stałych akumulatorów.

Pomimo swoich zalet, elektrolity polimerowe napotykają również wyzwania. Jednym z głównych ograniczeń jest ich niższa przewodność jonowa w temperaturze pokojowej w porównaniu do elektrolitów ciekłych, co może mieć wpływ na wydajność energetyczną akumulatora. Prowadzone są szeroko zakrojone prace badawczo-rozwojowe mające na celu zwiększenie przewodności elektrolitów polimerowych poprzez modyfikacje składu chemicznego polimerów, włączenie dodatków i opracowanie nowych architektur polimerowych.

Potencjalne zalety elektrolitów polimerowych, w szczególności w zakresie bezpieczeństwa i elastyczności projektowania, sprawiają, że są one kluczowym obszarem zainteresowania w przyszłości etui na baterię litową technologia. Naukowcy aktywnie badają ich zastosowanie w akumulatorach nowej generacji do pojazdów elektrycznych, elektroniki do noszenia i innych zastosowań, w których bezpieczeństwo i wymiary mają kluczowe znaczenie dla projektu. Oczekuje się, że wraz z postępem w dziedzinie materiałoznawstwa, elektrolity polimerowe będą odgrywać coraz większą rolę w ewolucji technologii akumulatorów litowo-jonowych.

Separator: Zapobieganie zwarciom

Kluczowym elementem każdego akumulatora litowo-jonowego jest separator. Ta cienka, porowata membrana jest umieszczana między katodą a anodą, aby zapobiec bezpośredniemu kontaktowi elektrycznemu, który mógłby doprowadzić do zwarcia i potencjalnie do niekontrolowanego wzrostu temperatury. Jednocześnie separator musi umożliwiać wydajny transport jonów litu przez elektrolit.

Typowe materiały separatorów obejmują poliolefiny, takie jak polietylen (PE) i polipropylen (PP). Materiały te oferują dobrą równowagę między wytrzymałością mechaniczną, obojętnością chemiczną i opłacalnością. W wielu zaawansowanych konstrukcjach akumulatorów litowo-jonowych, separator poliolefinowy jest pokryty warstwą materiału ceramicznego, aby zwiększyć jego stabilność termiczną i zapobiec rozwojowi dendrytów litowych, które mogą przebić separator i spowodować zwarcia. Typowe separatory ogniw mają grubość od 20 do 40 mikrometrów.

Kolektory prądu i opakowania: Umożliwienie przepływu elektronów i ochrona

Aby wykorzystać przepływ elektronów generowanych przez reakcje elektrochemiczne, baterie z ogniwami woreczkowymi wykorzystują kolektory prądu. Są to cienkie folie metalowe pokryte materiałami elektrod. Folia miedziana jest zwykle używana jako kolektor prądu anodowego, podczas gdy folia aluminiowa jest używana jako kolektor prądu katodowego. Materiały te są wybierane ze względu na ich wysoką przewodność elektryczną i stabilność elektrochemiczną w zakresie napięcia roboczego akumulatora.

Zewnętrznym opakowaniem ogniwa akumulatora typu pouch jest wielowarstwowy laminat, najczęściej wykonany z aluminium. Opakowanie to zapewnia hermetyczne uszczelnienie, chroniąc wewnętrzne komponenty przed wilgocią i powietrzem, które mogą pogorszyć wydajność i żywotność baterii. Elastyczny charakter laminatu aluminiowego przyczynia się do lekkości i wszechstronności baterii typu pouch, umożliwiając ich kształtowanie w celu dopasowania do różnych urządzeń.

Zastosowania Pouch Cells

Unikalne właściwości akumulatorów typu pouch sprawiły, że stały się one niezastąpione w szerokim zakresie zastosowań. Ich lekka i elastyczna konstrukcja pozwala na integrację z urządzeniami o skomplikowanych kształtach i ograniczonej przestrzeni. Niektóre kluczowe zastosowania obejmują:

• Elektronika użytkowa: Smartfony, laptopy, tablety i urządzenia do noszenia, takie jak smartwatche i urządzenia do monitorowania kondycji, powszechnie wykorzystują ogniwa typu pouch ze względu na ich smukły profil i wysoką gęstość energii.
• Pojazdy elektryczne (EV): Wiele nowoczesnych pojazdów elektrycznych wykorzystuje w swoich zestawach akumulatorów wielkoformatowe baterie typu pouch, oferujące dobrą równowagę między gęstością energii a możliwościami zarządzania termicznego.
• Drony i robotyka: Lekki charakter technologii akumulatorów typu pouch ma kluczowe znaczenie dla maksymalizacji czasu lotu i wydajności operacyjnej dronów i robotów.
• Urządzenia medyczne: Przenośne urządzenia medyczne, takie jak rozruszniki serca i przenośne koncentratory tlenu, polegają na kompaktowym i niezawodnym zasilaniu zapewnianym przez akumulatory litowo-jonowe.
• Power Banki i przenośne ładowarki: Wysoka gęstość energii i lekka konstrukcja sprawiają, że woreczki na baterie litowe są idealne do przenośnych rozwiązań zasilających.
• Grid Storage: Chociaż technologia akumulatorów litowo-jonowych jest mniej powszechna niż inne formaty magazynowania w sieci na dużą skalę, jest ona badana pod kątem niektórych niszowych zastosowań ze względu na jej elastyczność projektową.

Wnioski

Niezwykła wydajność akumulatorów typu pouch jest świadectwem starannie dobranych i zaprojektowanych materiałów, które składają się na ich konstrukcję. Począwszy od specyficznych związków litu w katodzie i anodzie, po elektrolit przewodzący jony i kluczowy separator, każdy komponent odgrywa istotną rolę w ogólnej funkcjonalności i charakterystyce baterii. Trwające badania i rozwój nadal napędzają innowacje w zakresie materiałów akumulatorowych, obiecując jeszcze wyższą gęstość energii, dłuższą żywotność, zwiększone bezpieczeństwo i bardziej zrównoważone rozwiązania dla przyszłości magazynowania energii. Dla firm poszukujących dopasowanych rozwiązań w zakresie zasilania, Lan Dazzle dostarcza niestandardowe rozwiązania w zakresie baterii litowych, wykorzystując wszechstronność i wydajność technologii ogniw woreczkowych, aby spełnić określone wymagania aplikacji.

FAQ

1. Jaka jest główna różnica w materiałach między ogniwem woreczkowym a cylindrycznym?
   • Podstawowa różnica materiałowa leży w opakowaniu zewnętrznym. Ogniwa typu pouch wykorzystują elastyczny laminat aluminiowy, podczas gdy baterie cylindryczne są zamknięte w sztywnej metalowej puszce. Różnica ta ma wpływ na konstrukcję wewnętrzną i pozwala na większe wykorzystanie materiału w ogniwach typu pouch.
2. Czy materiały użyte do produkcji woreczków są przyjazne dla środowiska?
   • Wpływ na środowisko materiałów, z których wykonane są pokrowce na akumulatory litowo-jonowe, budzi coraz większe obawy. Podczas gdy litu jest pod dostatkiem, wydobycie niektórych materiałów, takich jak kobalt, może mieć konsekwencje środowiskowe i społeczne. Recykling ma kluczowe znaczenie dla odzyskiwania cennych materiałów i zmniejszenia wpływu produkcji woreczków na baterie litowe na środowisko.
3. W jaki sposób materiały, z których wykonana jest komórka, wpływają na jej żywotność i wydajność?
   • Degradacja materiałów w czasie jest kluczowym czynnikiem ograniczającym żywotność baterii. Przykładowo, tworzenie się warstwy międzyfazowej elektrolitu stałego (SEI) na anodzie i katodzie może utrudniać przepływ jonów. Wybór materiałów, ich czystość i ogólna konstrukcja ogniwa znacząco wpływają na wskaźniki wydajności, takie jak gęstość energii, moc wyjściowa i żywotność baterii litowo-jonowej.
4. Co sprawia, że ogniwa typu pouch są tak lekkie w porównaniu z innymi typami baterii?
   • Elastyczne opakowanie z laminatu aluminiowego ogniwa typu pouch jest znacznie lżejsze niż stalowa obudowa stosowana w ogniwach cylindrycznych lub pryzmatycznych. Przyczynia się to do ogólnej lekkości akumulatorów typu pouch, dzięki czemu idealnie nadają się one do przenośnych urządzeń elektronicznych i pojazdów elektrycznych, w których waga jest czynnikiem krytycznym.
5. Czy materiały zawarte w komórce typu pouch można poddać recyklingowi?
   • Tak, materiały wchodzące w skład baterii typu pouch, w tym lit, kobalt, nikiel, mangan, aluminium i miedź, mogą zostać poddane recyklingowi. Jednak proces recyklingu akumulatorów litowo-jonowych jest złożony i wciąż opracowywany w celu poprawy wydajności i opłacalności.
6. Czy ogniwa woreczków są wykonane z materiałów niebezpiecznych?
   • Woreczki z bateriami litowo-jonowymi zawierają materiały, które mogą być niebezpieczne w przypadku niewłaściwej obsługi lub uszkodzenia baterii. Elektrolit jest zazwyczaj łatwopalny, a akumulator zawiera reaktywne metale. Dlatego też prawidłowa obsługa, przechowywanie i utylizacja mają zasadnicze znaczenie dla zapewnienia bezpieczeństwa.
7. Jakie są najnowsze osiągnięcia w dziedzinie materiałów stosowanych w komórkach typu pouch?
   • Trwające badania koncentrują się na opracowywaniu nowych materiałów w celu poprawy wydajności, bezpieczeństwa i trwałości baterii typu pouch. Niektóre kluczowe obszary rozwoju obejmują elektrolity półprzewodnikowe, anody krzemowe o dużej pojemności, zaawansowane materiały katodowe o wyższej zawartości niklu lub alternatywne chemikalia, takie jak litowo-siarkowe, oraz bardziej przyjazne dla środowiska materiały wiążące.

źródło
1. Globalny raport z badań rynku ogniw litowych 2025 

2. Postępy i perspektywy wysokonapięciowego tlenku litowo-kobaltowego w akumulatorach litowo-jonowych

3. Wydajność i bezpieczeństwo litowo-jonowych ogniw polimerowych w torebkach