A orixe do dispositivo de batería pode comezar co descubrimento da botella de Leiden. A botella de Leiden foi inventada por primeira vez polo científico holandés Pieter van Musschenbroek en 1745. O frasco de Leiden é un dispositivo capacitor primitivo. Está composto por dúas chapas metálicas separadas por un illante. A barra metálica de arriba úsase para almacenar e liberar carga. Cando se toca a vara Cando se usa a bola de metal, a botella de Leiden pode manter ou eliminar a enerxía eléctrica interna, e o seu principio e preparación son sinxelos. Calquera persoa interesada pode facelo soa na casa, pero o seu fenómeno de autodescarga é máis grave pola súa sinxela guía. Xeralmente, toda a electricidade descargarase nunhas horas a uns días. Porén, a aparición da botella de Leiden marca unha nova etapa na investigación da electricidade.
Na década de 1790, o científico italiano Luigi Galvani descubriu o uso de fíos de zinc e cobre para conectar as patas de rá e descubriu que as patas de rá se torcían, polo que propuxo o concepto de "bioelectricidade". Este descubrimento provocou que o científico italiano Alessandro se estremecera. A obxección de Volta, Volta cre que a contracción das patas da ra procede da corrente eléctrica xerada polo metal en lugar da corrente eléctrica da ra. Para refutar a teoría de Galvani, Volta propuxo o seu famoso Volta Stack. A pila voltaica consta de láminas de zinc e cobre con cartón empapado en auga salgada no medio. Este é o prototipo dunha batería química proposta.
Ecuación de reacción do electrodo dunha pila voltaica:
electrodo positivo: 2H^++2e^-→H_2
electrodo negativo: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
En 1836, o científico británico John Frederic Daniell inventou a batería Daniel para resolver o problema das burbullas de aire na batería. A batería Daniel ten a forma principal dunha batería química moderna. Consta de dúas partes. A parte positiva está inmersa nunha solución de sulfato de cobre. A outra parte do cobre é cinc inmerso nunha solución de sulfato de cinc. A batería orixinal Daniel encheuse con solución de sulfato de cobre nun frasco de cobre e introduciu un recipiente cilíndrico poroso de cerámica no centro. Neste recipiente de cerámica, hai unha varilla de cinc e sulfato de cinc como electrodo negativo. Na solución, os pequenos orificios do recipiente cerámico permiten que as dúas chaves intercambien ións. As baterías Daniel modernas usan principalmente pontes de sal ou membranas semipermeables para conseguir este efecto. As baterías Daniel usáronse como fonte de enerxía para a rede telegráfica ata que as substituíron por baterías secas.
A ecuación de reacción do electrodo da batería Daniel:
Electrodo positivo: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu
electrodo negativo: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Ata agora, determinouse a forma principal da batería, que inclúe o electrodo positivo, o electrodo negativo e o electrólito. Sobre esa base, as baterías experimentaron un rápido desenvolvemento nos próximos 100 anos. Apareceron moitos sistemas de baterías novos, entre eles o científico francés Gaston Planté inventou as baterías de chumbo-ácido en 1856. Baterías de chumbo-ácido A súa gran corrente de saída e o seu baixo prezo chamaron a atención, polo que úsase en moitos dispositivos móbiles, como os primeiros eléctricos. vehículos. Adoita utilizarse como fonte de alimentación de reserva para algúns hospitais e estacións base. As baterías de chumbo-ácido están compostas principalmente de chumbo, dióxido de chumbo e solución de ácido sulfúrico, e a súa tensión pode alcanzar uns 2 V. Mesmo nos tempos modernos, as baterías de chumbo-ácido non foron eliminadas debido á súa tecnoloxía madura, prezos baixos e sistemas a base de auga máis seguros.
Ecuación de reacción do electrodo da batería de chumbo-ácido:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Electrodo negativo: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
A batería de níquel-cadmio, inventada polo científico sueco Waldemar Jungner en 1899, utilízase máis en pequenos dispositivos electrónicos móbiles, como os primeiros walkmans, debido á súa maior densidade de enerxía que as baterías de chumbo-ácido. Similar ás baterías de plomo-ácido. As baterías de níquel-cadmio tamén se usan amplamente desde a década de 1990, pero a súa toxicidade é relativamente alta e a propia batería ten un efecto de memoria específico. É por iso que moitas veces escoitamos a algúns adultos maiores dicir que a batería debe estar completamente descargada antes de recargala e que as baterías de desperdicio contaminarán o terreo, etc. (Ten en conta que incluso as baterías actuais son altamente tóxicas e non se deben descartar en todas partes, pero as baterías de litio actuais non teñen vantaxes de memoria e a descarga excesiva é prexudicial para a vida útil da batería.) As baterías de níquel-cadmio son máis prexudiciais para o medio ambiente. a resistencia interna cambiará coa temperatura, o que pode causar danos debido á corrente excesiva durante a carga. As baterías de níquel-hidróxeno eliminárono gradualmente ao redor de 2005. Ata agora, as baterías de níquel-cadmio raramente se ven no mercado.
Ecuación de reacción do electrodo da batería de níquel-cadmio:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Electrodo negativo: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
Na década de 1960, a xente finalmente entrou oficialmente na era das baterías de litio.
O metal de litio foi descuberto en 1817, e a xente pronto se decatou de que as propiedades físicas e químicas do metal de litio utilízanse inherentemente como materiais para baterías. Ten unha densidade baixa (0.534 g 〖cm〗^(-3)), gran capacidade (teórica ata 3860 mAh g^(-1)) e o seu baixo potencial (-3.04 V en comparación co electrodo de hidróxeno estándar). Estes case están dicindo á xente que son o material do electrodo negativo da batería ideal. Non obstante, o metal de litio ten enormes problemas. É demasiado activo, reacciona violentamente coa auga e ten altos requisitos no ambiente operativo. Polo tanto, durante moito tempo, a xente estivo indefensa con iso.
En 1913, Lewis e Keyes mediron o potencial do electrodo de litio metálico. E realizou unha proba de batería con ioduro de litio en solución de propilamina como electrólito, aínda que fallou.
En 1958, William Sidney Harris mencionou na súa tese de doutoramento que puxo litio metálico en diferentes solucións de ésteres orgánicos e observou a formación dunha serie de capas de pasivación (incluíndo o litio metálico no ácido perclórico). Litio LiClO_4
O fenómeno na solución de PC de carbonato de propileno, e esta solución é un sistema de electrólitos vital en baterías de litio no futuro), e observouse un fenómeno específico de transmisión de ións, polo que se fixeron algúns experimentos preliminares de electrodeposición baseados neste. Estes experimentos levaron oficialmente ao desenvolvemento de baterías de litio.
En 1965, a NASA realizou un estudo en profundidade sobre os fenómenos de carga e descarga das baterías de Li||Cu en solucións de PC de perclorato de litio. Outros sistemas electrolíticos, incluíndo a análise de LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Esta investigación espertou un gran interese nos sistemas de electrólitos orgánicos.
En 1969, unha patente mostrou que alguén comezara a tentar comercializar baterías de solución orgánica usando metais de litio, sodio e potasio.
En 1970, a Panasonic Corporation de Xapón inventou a batería Li‖CF_x ┤, onde a relación de x é xeralmente 0.5-1. CF_x é un fluorocarbono. Aínda que o gas flúor é altamente tóxico, o propio fluorocarbono é un po non tóxico de cor branca. Pódese dicir que a aparición da batería Li‖CF_x ┤ é a primeira batería de litio comercial real. A batería Li‖CF_x ┤ é unha batería primaria. Aínda así, a súa capacidade é enorme, a capacidade teórica é de 865 mAh 〖Kg〗^(-1) e a súa tensión de descarga é moi estable a longo alcance. Polo tanto, a potencia é estable e o fenómeno de autodescarga pequeno. Pero ten un rendemento abismal e non se pode cargar. Polo tanto, xeralmente combínase con dióxido de manganeso para facer baterías Li‖CF_x ┤-MnO_2, que se usan como baterías internas para algúns pequenos sensores, reloxos, etc., e que non foron eliminadas.
Electrodo positivo: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Electrodo negativo: Li→〖Li〗^++e^-
En 1975, a Sanyo Corporation de Xapón inventou a batería Li‖MnO_2 ┤, utilizada por primeira vez nas calculadoras solares recargables. Esta pode considerarse como a primeira batería de litio recargable. Aínda que este produto tivo un gran éxito en Xapón naquela época, a xente non tiña unha comprensión profunda deste material e descoñecía o seu dióxido de litio e manganeso. Que tipo de razón hai detrás da reacción?
Case ao mesmo tempo, os americanos buscaban unha batería reutilizable, que agora chamamos batería secundaria.
En 1972, MBArmand (os nomes dalgúns científicos non foron traducidos ao principio) propuxo nun documento de conferencia M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (onde M é un metal alcalino) e outros materiais cunha estrutura azul de Prusia. , E estudou o seu fenómeno de intercalación iónica. E en 1973, J. Broadhead e outros dos Bell Labs estudaron o fenómeno de intercalación dos átomos de xofre e iodo nos dicalcoxenuros metálicos. Estes estudos preliminares sobre o fenómeno de intercalación de ións son o motor máis importante para o progreso gradual das baterías de litio. A investigación orixinal é precisa debido a estes estudos que posteriormente fan posibles baterías de iones de litio.
En 1975, Martin B. Dines de Exxon (o predecesor de Exxon Mobil) realizou cálculos preliminares e experimentos sobre a intercalación entre unha serie de dicalcoxenuros de metais de transición e metais alcalinos e, no mesmo ano, Exxon foi outro nome. O científico MS Whittingham publicou unha patente. na piscina Li‖TiS_2 ┤. E en 1977, Exoon comercializou unha batería baseada en Li-Al‖TiS_2┤, na que a aliaxe de litio e aluminio pode mellorar a seguridade da batería (aínda que aínda hai un risco máis importante). Despois diso, tales sistemas de batería foron utilizados sucesivamente por Eveready nos Estados Unidos. Comercialización de Battery Company e Grace Company. A batería Li‖TiS_2 ┤ pode ser a primeira batería de litio secundaria no verdadeiro sentido, e tamén era o sistema de batería máis quente daquela. Nese momento, a súa densidade de enerxía era aproximadamente 2-3 veces a das baterías de chumbo-ácido.
Electrodo positivo: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Electrodo negativo: Li→〖Li〗^++e^-
Ao mesmo tempo, o científico canadense MA Py inventou a batería Li‖MoS_2┤ en 1983, que pode ter unha densidade de enerxía de 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) a 1/3C, o que equivale a Li‖TiS_2┤ batería. En base a isto, en 1987, a empresa canadense Moli Energy lanzou unha batería de litio realmente moi comercializada, que era moi demandada en todo o mundo. Este debería ser un feito historicamente significativo, pero a ironía é que tamén está a provocar o declive de Moli despois. Entón, na primavera de 1989, Moli Company lanzou os seus produtos de batería Li‖MoS_2┤ de segunda xeración. A finais da primavera de 1989, o produto de batería Li‖MoS_2┤ de primeira xeración de Moli explotou e provocou un pánico a gran escala. No verán do mesmo ano retiráronse todos os produtos e as vítimas foron indemnizadas. A finais do mesmo ano, Moli Energy declarouse en bancarrota e foi adquirida pola NEC xaponesa na primavera de 1990. Cabe mencionar que se rumorea que Jeff Dahn, un científico canadense daquela, dirixía o proxecto da batería en Moli. Energy e renunciou pola súa oposición á lista continua de baterías Li‖MoS_2 ┤.
Electrodo positivo: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Electrodo negativo: Li→〖Li〗^++e^-
Ata agora, as baterías de litio metálico foron deixando aos poucos a vista do público. Podemos ver que durante o período de 1970 a 1980, a investigación dos científicos sobre baterías de litio centrábase principalmente nos materiais catódicos. O obxectivo final céntrase invariablemente nos dicalcoxénuros de metais de transición. Debido á súa estrutura en capas (os dicalcoxenuros de metais de transición son agora amplamente estudados como un material bidimensional), as súas capas e Hai ocos suficientes entre as capas para acomodar a inserción de ións de litio. Nese momento, había moi pouca investigación sobre materiais ánodos durante este período. Aínda que algúns estudos centráronse na aliaxe de metal de litio para mellorar a súa estabilidade, o metal de litio en si é demasiado inestable e perigoso. Aínda que a explosión da batería de Moli foi un evento que conmocionou ao mundo, houbo moitos casos de explosión de baterías de litio metálico.
Ademais, a xente non coñecía moi ben a causa da explosión das baterías de litio. Ademais, o metal de litio foi unha vez considerado un material de electrodo negativo insubstituíble debido ás súas boas propiedades. Despois da explosión da batería de Moli, a aceptación das baterías de litio metal caeu en picado e as baterías de litio entraron nun período escuro.
Para ter unha batería máis segura, a xente debe comezar co material nocivo do electrodo. Aínda así, hai unha serie de problemas aquí: o potencial do metal de litio é pouco profundo e o uso doutros electrodos negativos compostos aumentará o potencial do electrodo negativo, e deste xeito, baterías de litio A diferenza de potencial global reducirase, o que reducirá. a densidade enerxética da tormenta. Polo tanto, os científicos teñen que atopar o material do cátodo de alta tensión correspondente. Ao mesmo tempo, o electrólito da batería debe coincidir coas tensións positivas e negativas e a estabilidade do ciclo. Ao mesmo tempo, a condutividade do electrólito e a resistencia á calor é mellor. Esta serie de preguntas desconcertaron aos científicos durante moito tempo para atopar unha resposta máis satisfactoria.
O primeiro problema que deben resolver os científicos é atopar un material de electrodo seguro e prexudicial que poida substituír ao metal de litio. O metal de litio ten demasiada actividade química e unha serie de problemas de crecemento de dendritas foron demasiado duros para o ambiente e as condicións de uso e non é seguro. O grafito é agora o corpo principal do electrodo negativo das baterías de ión-litio, e a súa aplicación en baterías de litio foi estudada xa en 1976. En 1976, Besenhard, JO realizou un estudo máis detallado sobre a síntese electroquímica de LiC_R. Non obstante, aínda que o grafito ten excelentes propiedades (alta condutividade, alta capacidade, baixo potencial, inercia, etc.), nese momento, o electrólito usado nas baterías de litio é xeralmente a solución de PC de LiClO_4 mencionada anteriormente. O grafito ten un problema importante. En ausencia de protección, as moléculas de electrólitos PC tamén entrarán na estrutura de grafito coa intercalación de ión-litio, o que resultará nunha diminución do rendemento do ciclo. Polo tanto, o grafito non era favorecido polos científicos daquela época.
En canto ao material do cátodo, despois da investigación da etapa da batería de litio metálico, os científicos descubriron que o propio material do ánodo de litio tamén é un material de almacenamento de litio con boa reversibilidade, como LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) e así por diante, e sobre esta base desenvolvéronse 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 e outros materiais. E os científicos foron familiarizándose gradualmente con varias canles iónicas unidimensionales (1D), intercalación iónica en capas bidimensionales (1D) e estruturas de redes de transmisión de iones tridimensionales.
A investigación máis famosa do profesor John B. Goodenough sobre LiCoO_2 (LCO) tamén ocorreu neste momento. En 1979, Goodenougd et al. Inspiráronse nun artigo sobre a estrutura de NaCoO_2 en 1973 e descubriron LCO e publicaron un artigo de patente. O LCO ten unha estrutura de intercalación en capas semellante aos disulfuros de metais de transición, na que se poden inserir e extraer de forma reversible ións de litio. Se os ións de litio son completamente extraídos, formarase unha estrutura pechada de CoO_2, que pode ser reinserida con ións de litio para o litio (Por suposto, unha batería real non permitirá que os ións de litio sexan extraídos por completo, o que fará que a capacidade decaia rapidamente). En 1986, Akira Yoshino, que aínda traballaba na Asahi Kasei Corporation en Xapón, combinou por primeira vez as tres solucións de PC LCO, coque e LiClO_4, converténdose na primeira batería secundaria moderna de iones de litio e converténdose no litio actual. a batería. Sony notou rapidamente a patente LCO do vello e obtivo autorización para usala. En 1991, comercializou a batería de iones de litio LCO. O concepto de batería de iones de litio tamén apareceu neste momento, e a súa idea tamén continúa ata hoxe. (Paga a pena notar que as baterías de iones de litio de primeira xeración de Sony e Akira Yoshino tamén usan carbón duro como electrodo negativo en lugar de grafito, e a razón é que o PC anterior ten intercalación en grafito)
Electrodo positivo: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Electrodo negativo: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
Por outra banda, en 1978, Armand, M. propuxo o uso de polietilenglicol (PEO) como un electrólito de polímero sólido para resolver o problema anterior de que o ánodo de grafito se incrusta facilmente en moléculas de PC disolvente (o electrólito principal naquel momento aínda). utiliza PC, solución mixta DEC), que puxo grafito no sistema de baterías de litio por primeira vez e propuxo o concepto de batería de mecedora (rocking-chair) no ano seguinte. Tal concepto continuou ata o presente. Os actuais sistemas de electrólitos principais, como ED/DEC, EC/DMC, etc., só apareceron lentamente na década de 1990 e utilizáronse desde entón.
Durante o mesmo período, os científicos tamén exploraron unha serie de baterías: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ baterías, Li‖V〖SE〗_2 ┤ baterías, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 baterías, Li‖CuO┤Baterías, Li ‖I_2 ┤Baterías, etc., porque agora son menos valiosas, e non hai moitos tipos de investigación para que non as introduza en detalle.
A era do desenvolvemento de baterías de ión-litio despois de 1991 é a era na que estamos agora. Aquí non vou resumir o proceso de desenvolvemento en detalle, pero presentarei brevemente o sistema químico dunhas poucas baterías de ión-litio.
Unha introdución aos sistemas actuais de baterías de iones de litio, aquí está a seguinte parte.
responder dentro de 6 horas, calquera pregunta é benvida!
