Из чего состоят клетки мешочка?

Inside the Power Pouch: Распаковка материалов, из которых состоят ячейки мешочка

В нашем все более мобильном и технологичном мире спрос на эффективные и легкие источники энергии резко возрос. От изящного смартфона в Вашем кармане до мощного электромобиля на дороге, мешочные элементы стали доминирующей силой в аккумуляторных технологиях. Гибкая конструкция и высокая плотность энергии делают их предпочтительным выбором для огромного количества приложений. Но из чего же состоят эти вездесущие источники энергии? Присоединяйтесь к нам, поскольку мы глубоко погрузимся в науку о материалах, лежащих в основе батарей типа "чехол", и изучим сложные компоненты, которые позволяют им хранить и отдавать энергию.

По своей сути, батарейный чехол - это тип литий-ионного аккумулятора, характеризующийся гибкой герметичной упаковкой, обычно выполненной из алюминиевого ламината. Такая конструкция отличает его от жестких цилиндрических или призматических элементов. Однако на самом деле волшебство кроется в материалах, составляющих его внутреннюю структуру. Давайте разберем основные компоненты чехла для литий-ионного аккумулятора.

Катод: положительный источник энергии

Катод - это положительный электрод, в котором ионы лития накапливаются при разрядке батареи и высвобождаются во время зарядки. Выбор материала катода существенно влияет на плотность энергии, выходную мощность и срок службы литиевого аккумулятора. Обычно используется несколько материалов:

• Оксид кобальта лития (LCO): Известные своей высокой плотностью энергии, LCO часто встречаются в потребительской электронике, такой как смартфоны и ноутбуки.
• Литий-марганцевый оксид (LMO): Предлагая более низкую стоимость и повышенную безопасность по сравнению с LCO, LMO имеет умеренную плотность энергии.
• Литиевый никель-марганец-кобальтовый оксид (NMC): Обеспечивая баланс между энергией, мощностью и безопасностью, NMC является популярным выбором для электромобилей и электроинструментов. Различные составы NMC (например, NMC 111, NMC 532, NMC 811) обладают разными эксплуатационными характеристиками.
• Литиевый никель-кобальт-алюминиевый оксид (NCA): Обеспечивая высокую плотность энергии и хорошую мощность, NCA используется в некоторых высокопроизводительных электромобилях.
• Литий-железо-фосфат (LFP): Известный своей исключительной безопасностью и длительным сроком службы, LFP набирает обороты в электромобилях и системах хранения энергии, несмотря на более низкую плотность энергии по сравнению с другими вариантами.

Эти активные материалы обычно смешиваются с проводящей добавкой, например, сажей, для улучшения потока электронов, и связующим веществом, например, поливинилиденфторидом (PVDF), для приклеивания материалов к токоприемнику. Катод наносится на тонкую алюминиевую фольгу, которая служит токоприемником. 

Анод: Носитель отрицательного заряда

Анод - это отрицательный электрод, на котором ионы лития накапливаются во время зарядки и высвобождаются во время разрядки. Наиболее распространенным материалом анода в ячейках литий-ионных аккумуляторов является графит. Его слоистая структура обеспечивает эффективную интеркаляцию и деинтеркаляцию ионов лития, предлагая хороший баланс стоимости, срока службы и плотности энергии.

Однако, чтобы еще больше повысить плотность энергии, исследователи и производители все чаще включают в состав анода кремний. Кремний обладает гораздо большей теоретической емкостью для хранения лития, чем графит. Композитные кремниевые аноды, в которых кремний сочетается с графитом или другими углеродными материалами, становятся все более распространенными в передовых конструкциях карманных батарей. Хотя кремний значительно расширяется при вводе ионов лития, что может привести к механической деградации, текущие исследования направлены на смягчение этой проблемы с помощью новых архитектур материалов и связующих веществ. Титанат лития (LTO) - еще один анодный материал, известный своей исключительной безопасностью и очень долгим сроком службы, хотя обычно он имеет более низкую плотность энергии и используется в специфических приложениях, например, в некоторых электробусах.

Электролит: Ионная магистраль

В то время как жидкие электролиты в настоящее время доминируют на рынке мешочных батареек.sПолимерные электролиты привлекают значительное внимание как перспективные альтернативы, в частности, для повышения безопасности и создания инновационных конструкций батарей. Полимерные электролиты, как следует из их названия, используют полимеры в качестве ионопроводящей среды. Они могут существовать в различных формах, включая твердые полимерные электролиты (SPEs) и гелевые полимерные электролиты (GPEs).

Твердые полимерные электролиты (SPE) состоят из солей лития, растворенных в твердой полимерной матрице, такой как полиэтиленоксид (PEO) или полиакрилонитрил (PAN). Одним из главных преимуществ SPE является их потенциальная возможность значительно повысить безопасность батарей за счет отсутствия необходимости использовать легковоспламеняющиеся и летучие органические растворители, которые используются в традиционных жидких электролитах. Эта неотъемлемая характеристика безопасности делает батареи на основе SPE привлекательными для применения в тех областях, где тепловой разряд вызывает серьезные опасения. Кроме того, твердая природа электролита может потенциально упростить конструкцию батареи и позволить создавать более тонкие и гибкие чехлы для батарей.

Гелевые полимерные электролиты (GPE) представляют собой гибридный подход, при котором полимерная матрица набухает жидким электролитом. Такая комбинация позволяет использовать преимущества полимера с точки зрения безопасности, сохраняя при этом более высокую ионную проводимость по сравнению с электролитами из чисто твердых полимеров. К распространенным полимерам, используемым в GPE, относятся сополимеры полиметилметакрилата (PMMA) и поливинилиденфторида (PVDF). GPE уже находят применение в некоторых конструкциях чехлов для литий-ионных аккумуляторов, предлагая промежуточный шаг на пути к полностью твердотельным батареям.

Несмотря на свои преимущества, полимерные электролиты также сталкиваются с проблемами. Одним из основных ограничений является их более низкая ионная проводимость при комнатной температуре по сравнению с жидкими электролитами, что может повлиять на энергетические характеристики батареи. В настоящее время ведутся обширные исследования и разработки, направленные на повышение проводимости полимерных электролитов путем изменения химического состава полимеров, введения добавок и создания новых полимерных архитектур.

Потенциальные преимущества полимерных электролитов, особенно с точки зрения безопасности и гибкости конструкции, делают их одним из ключевых направлений для будущего Чехол для литиевых батареек технологии. Исследователи активно изучают возможность их использования в батареях нового поколения для электромобилей, носимой электроники и других приложений, где безопасность и форм-фактор являются критическими требованиями к конструкции. По мере дальнейшего развития материаловедения ожидается, что полимерные электролиты будут играть все более значительную роль в развитии технологии мешочных литий-ионных батарей.

Разделитель: Предотвращение короткого замыкания

Важнейшим компонентом каждого чехла для литий-ионных аккумуляторов является сепаратор. Эта тонкая пористая мембрана располагается между катодом и анодом, чтобы предотвратить прямой электрический контакт, который может привести к короткому замыканию и, возможно, к тепловому разряду. В то же время, сепаратор должен обеспечивать эффективный перенос ионов лития через электролит.

К распространенным материалам для сепараторов относятся полиолефины, такие как полиэтилен (PE) и полипропилен (PP). Эти материалы обеспечивают хороший баланс механической прочности, химической инертности и экономичности. Во многих усовершенствованных конструкциях мешочных литий-ионных аккумуляторов полиолефиновый сепаратор покрыт слоем керамического материала для повышения его термостабильности и предотвращения роста литиевых дендритов, которые могут пробить сепаратор и вызвать короткое замыкание. Толщина типичных сепараторов для мешочных аккумуляторов составляет от 20 до 40 микрометров.

Токоприемники и упаковка: Обеспечение потока электронов и защита

Чтобы направить поток электронов, образующихся в результате электрохимических реакций, в батареях с мешочными ячейками используются токоприемники. Это тонкие металлические фольги, покрытые электродными материалами. Для анодного токоприемника обычно используется медная фольга, а для катодного - алюминиевая. Эти материалы выбирают за их высокую электропроводность и электрохимическую стабильность в пределах рабочего напряжения батареи.

Внешняя упаковка элемента питания pouch представляет собой многослойный ламинат, чаще всего изготовленный из алюминия. Такая упаковка обеспечивает герметичность, защищая внутренние компоненты от влаги и воздуха, которые могут ухудшить характеристики и срок службы батареи. Гибкость алюминиевого ламината способствует легкости и универсальности дизайна батарей-пакетов, позволяя придавать им форму, подходящую для различных устройств.

Применение мешочков

Уникальные характеристики элементов питания pouch cell сделали их незаменимыми в широком спектре применений. Их легкая и гибкая конструкция позволяет встраивать их в устройства сложной формы с ограниченным пространством. Некоторые ключевые области применения включают:

• Потребительская электроника: В смартфонах, ноутбуках, планшетах и носимых устройствах, таких как смарт-часы и фитнес-трекеры, широко используются карманные элементы благодаря их тонкому профилю и высокой плотности энергии.
• Электромобили (EV): Во многих современных электромобилях в аккумуляторных блоках используются крупноформатные ячеистые батареи, обеспечивающие хороший баланс между плотностью энергии и возможностями терморегуляции.
• Беспилотники и робототехника: Легкий вес батарей в чехлах имеет решающее значение для максимального увеличения времени полета и эффективности работы беспилотников и роботов.
• Медицинские приборы: Портативные медицинские устройства, такие как кардиостимуляторы и портативные кислородные концентраторы, полагаются на компактное и надежное питание, обеспечиваемое чехлами с литий-ионными аккумуляторами.
• Power Banks и портативные зарядные устройства: Высокая плотность энергии и легкий вес делают чехлы с литиевыми батареями идеальным решением для портативных источников питания.
• Сетевое хранение: Несмотря на то, что технология чехловых литий-ионных аккумуляторов менее распространена, чем другие форматы для крупномасштабных систем хранения данных, она изучается для некоторых нишевых применений благодаря гибкости конструкции.

Заключение

Замечательные характеристики аккумуляторных батарей в чехлах - это свидетельство тщательно подобранных и разработанных материалов, из которых они изготовлены. Каждый компонент, от специфических соединений на основе лития в катоде и аноде до ионопроводящего электролита и важнейшего сепаратора, играет жизненно важную роль в общей функциональности и характеристиках батареи. Непрерывные исследования и разработки продолжают стимулировать инновации в области материалов для аккумуляторов, обещая еще более высокую плотность энергии, более длительный срок службы, повышенную безопасность и более устойчивые решения для будущего хранения энергии. Для предприятий, ищущих индивидуальные решения в области энергоснабжения, Lan Dazzle предлагает индивидуальные решения для литиевых батарей, используя универсальность и производительность технологии pouch-элементов для удовлетворения специфических требований приложений.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается основное различие в материалах между мешочным и цилиндрическим аккумулятором?
   • Основное различие в материалах заключается во внешней упаковке. В ячейках Pouch используется гибкий алюминиевый ламинат, в то время как цилиндрические батареи заключены в жесткую металлическую банку. Это различие влияет на внутреннюю конструкцию и позволяет использовать больше материалов в ячейках pouch.
2. Являются ли материалы, используемые в ячейках для пакетов, экологически чистыми?
   • Воздействие материалов для чехлов литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду вызывает все большую озабоченность. Хотя литий сам по себе изобилен, добыча некоторых материалов, например, кобальта, может иметь экологические и социальные последствия. Усилия по переработке имеют решающее значение для извлечения ценных материалов и снижения воздействия производства чехлов для литиевых батарей на окружающую среду.
3. Как материалы, из которых изготовлен кармашек, влияют на его срок службы и производительность?
   • Деградация материалов со временем является ключевым фактором, ограничивающим срок службы батареи. Например, образование межфазного слоя твердого электролита (SEI) на аноде и катоде может препятствовать потоку ионов. Выбор материалов, их чистота и общая конструкция элемента существенно влияют на такие показатели, как плотность энергии, выходная мощность и срок службы литий-ионного аккумулятора в чехле.
4. Что делает ячейки pouch такими легкими по сравнению с другими типами батарей?
   • Гибкий алюминиевый ламинат, в который упакована ячейка pouch-батареи, значительно легче стального корпуса, используемого в цилиндрических или призматических ячейках. Это способствует общему легкому весу батарей типа pouch, делая их идеальными для портативных электронных устройств и электромобилей, где вес является критическим фактором.
5. Можно ли перерабатывать материалы в ячейке для пакетов?
   • Да, материалы, входящие в состав аккумуляторной батареи, включая литий, кобальт, никель, марганец, алюминий и медь, могут быть переработаны. Однако процесс переработки литий-ионных батарей сложен и все еще находится в стадии разработки для повышения эффективности и рентабельности.
6. Изготовлены ли ячейки кармашка из каких-либо опасных материалов?
   • Пакеты для литий-ионных батарей содержат материалы, которые могут быть опасны при неправильном обращении или повреждении батареи. Электролит, как правило, легко воспламеняется, а батарея содержит реактивные металлы. Поэтому правильное обращение, хранение и утилизация очень важны для обеспечения безопасности.
7. Каковы некоторые из последних достижений в области материалов, используемых для изготовления кармашков?
   • Текущие исследования сосредоточены на разработке новых материалов для улучшения производительности, безопасности и экологичности аккумуляторных батарей. Некоторые ключевые области развития включают твердотельные электролиты, кремниевые аноды высокой емкости, усовершенствованные катодные материалы с более высоким содержанием никеля или альтернативные химические составы, такие как литий-серный, и более экологичные связующие материалы.

источник
1. Отчет о глобальном исследовании рынка литиевых ячеек 2025 года 

2. Прогресс и перспективы высоковольтного литий-кобальтового оксида в литий-ионных батареях

3. Производительность и безопасность литий-ионных полимерных элементов в чехлах