L'urìgine di u dispositivu di a bateria pò principià cù a scuperta di a buttiglia di Leiden. A buttiglia di Leiden hè stata inventata prima da u scientist Olandese Pieter van Musschenbroek in 1745. U vasu di Leyden hè un dispositivu capacitore primitivu. Hè cumpostu di dui fogli di metallu separati da un insulator. A barra di metallu sopra hè aduprata per almacenà è liberà a carica. Quandu toccu u bastone Quandu a bola di metallu hè utilizata, a buttiglia di Leiden pò mantene o sguassà l'energia elettrica interna, è u so principiu è a preparazione sò simplici. Qualchissia interessatu pò fà da ellu stessu in casa, ma u so fenomenu di l'autodiscarica hè più severu per via di a so guida simplice. In generale, tutta l'electricità serà scaricata in uni pochi d'ore à uni pochi di ghjorni. Tuttavia, l'emergenza di a buttiglia di Leiden marca una nova tappa in a ricerca di l'electricità.
In l'anni 1790, u scientist talianu Luigi Galvani hà scupertu l'usu di fili di zincu è di ramu per cunnetta i gammi di rana è truvò chì i gammi di rana s'eranu twitch, cusì prupone u cuncettu di "bioelectricity". Sta scuperta hà causatu u scientist talianu Alessandro à tic. L'obiezione di Volta, Volta crede chì u twitching di e zampe di a rana vene da u currente elettricu generatu da u metale piuttostu cà u currente elettricu nantu à a rana. Per rinfurzà a tiuria di Galvani, Volta prupone u so famosu Volta Stack. A pila di voltaica comprende fogli di zincu è di rame cù cartone imbevutu in acqua salata trà. Questu hè u prototipu di una bateria chimica pruposta.
L'equazione di reazione di l'elettrodu di una cellula voltaica:
elettrodu pusitivu: 2H^++2e^-→H_2
elettrodu negativu: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
In u 1836, u scientist britannicu John Frederic Daniell hà inventatu a bateria Daniel per risolve u prublema di bolle d'aria in a bateria. A bateria Daniel hà a forma primaria di una bateria chimica muderna. Hè custituitu di dui parti. A parte pusitiva hè immersa in una suluzione di sulfate di cobre. L'altra parte di ramu hè zincu immersa in una suluzione di sulfate di zincu. A bateria uriginale di Daniel hè stata piena di suluzione di sulfate di cobre in un vasu di ramu è inseritu un cuntinuu cilindricu poroso di ceramica in u centru. In stu cuntinuu di ceramica, ci hè una barra di zincu è sulfate di zincu cum'è l'elettrodu negativu. In a suluzione, i picculi buchi in u cuntinuu di ceramica permettenu e duie chjave per scambià ioni. I batterie muderni Daniel utilizanu soprattuttu ponti di sali o membrani semi-permeable per ottene stu effettu. E batterie di Daniel sò state usate cum'è una fonte di energia per a reta di telegrafia finu à chì e batterie secche anu rimpiazzatu.
L'equazione di reazione di l'elettrodu di a bateria Daniel:
Elettrodo positivo: 〖Cu〗^(2+)+2e^-→Cu
elettrodu negativu: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Finu a ora, a forma primaria di a bateria hè stata determinata, chì include l'elettrodu pusitivu, l'elettrodu negativu è l'elettrolitu. Nant'à una tale basa, e batterie anu subitu un rapidu sviluppu in i prossimi 100 anni. Parechje novi sistemi di batterie sò apparsu, cumpresu u scientist francese Gaston Planté hà inventatu e batterie di piombo-acidu in u 1856. Batterie di piombo-acidu U so grande currente di pruduzzione è u prezzu bassu anu attrattu una grande attenzione, per quessa hè utilizata in parechji dispositi mobili, cum'è prima elettricu. veiculi. Hè spessu usata cum'è una fonte di energia di salvezza per certi ospedali è stazioni base. Batterie di piombo-acidu sò principarmenti cumposti di piombo, diossidu di piombo è suluzione d'acidu sulfuricu, è a so tensione pò ghjunghje à circa 2V. Ancu in i tempi muderni, e batterie di piombo-acidu ùn sò micca stati eliminati per via di a so tecnulugia matura, i prezzi bassi è i sistemi più sicuri di l'acqua.
L'equazione di reazione di l'elettrodu di a batteria di piombo-acidu:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Electrode négatif : Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
A bateria di nichel-cadmiu, inventata da u scientist svedese Waldemar Jungner in u 1899, hè più largamente usata in i picculi apparecchi elettronichi mobili, cum'è i primi walkmans, per via di a so densità di energia più altu ch'è e batterie di piombo-acidu. Simile à e batterie di piombo-acidu. E batterie di nichel-cadmiu sò ancu assai usate da l'anni 1990, ma a so toxicità hè relativamente alta, è a batteria stessa hà un effettu di memoria specificu. Hè per quessa chì avemu spessu intesu alcuni adulti più vechji chì dicenu chì a bateria deve esse scaricata cumplettamente prima di ricaricà è chì e batterie di scarti contaminanu a terra, è cusì. (Nota chì ancu e batterie attuali sò assai tossichi è ùn deve esse scartate in ogni locu, ma e batterie di lithium attuali ùn anu micca benefici di memoria, è sopra-scaricamentu hè dannusu à a vita di a bateria.) Batterie di nichel-cadmiu sò più dannusu à l'ambiente, è a so scaricamentu. a resistenza interna cambierà cù a temperatura, chì pò causà danni per u currenti eccessivu durante a carica. I batterie di nichel-idrogenu l'anu eliminatu gradualmente intornu à u 2005. Finu à quì, i batterie di nichel-cadmiu sò raramenti vistu in u mercatu.
Equazione di reazione di l'elettrodu di a batteria di nichel-cadmiu:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Elettrodu negativu: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
In l'anni 1960, a ghjente hà finalmente intrutu ufficialmente in l'era di e batterie di lithium.
U lithium metallu stessu hè statu scupertu in u 1817, è a ghjente hà capitu prestu chì e proprietà fisiche è chimiche di lithium metal sò intrinsecamente aduprate cum'è materiali per batterie. Havi una densità bassu (0.534g 〖cm〗^(-3)), una grande capacità (teòrica finu à 3860mAh g^(-1)), è u so potenziale bassu (-3.04V paragunatu à l'elettrodu di l'idrogenu standard). Questi sò quasi dicendu à e persone chì sò u materiale di l'elettrodu negativu di a bateria ideale. Tuttavia, lithium metallu stessu hà prublemi enormi. Hè troppu attivu, reagisce viulente cù l'acqua, è hà esigenze elevate nantu à l'ambienti operativi. Dunque, per un bellu pezzu, a ghjente era impotente cun ellu.
In u 1913, Lewis è Keyes misurà u putenziale di l'elettrodu di lithium metal. È hà realizatu una prova di a batteria cù l'ioduru di lithium in suluzione di propilamina cum'è l'elettrolitu, ancu s'ellu hà fiascatu.
In u 1958, William Sidney Harris hà dettu in a so tesi di dutturatu chì pusò u lithium metal in diverse suluzioni estere organiche è hà osservatu a furmazione di una seria di strati di passivazione (cumpresu lithium metal in acid perchloric). Lithium LiClO_4
U fenomenu in a suluzione PC di carbonate di propilene, è sta suluzione hè un sistema elettrolitu vitale in batterie di lithium in u futuru), è un fenomenu specificu di trasmissione di ioni hè statu osservatu, cusì alcuni esperimenti di electrodeposition preliminari sò stati fatti nantu à questu. Questi esperimenti anu purtatu ufficialmente à u sviluppu di batterie di lithium.
In u 1965, a NASA hà realizatu un studiu approfonditu nantu à i fenomeni di carica è scaricamentu di e batterie Li||Cu in suluzione di PC di lithium perchlorate. Altri sistemi elettroliti, cumprese l'analisi di LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Sta ricerca anu suscitatu un grande interessu in i sistemi elettroliti organici.
In u 1969, una patente hà dimustratu chì qualchissia avia cuminciatu à pruvà à cummercializà e batterie di solu suluzione biulogica cù metalli di lithium, sodium è potassiu.
In u 1970, a Panasonic Corporation di u Giappone hà inventatu a bateria Li‖CF_x ┤, induve a ratio di x hè generalmente 0.5-1. CF_x hè un fluorocarbonu. Ancu u gasu di fluoru hè assai tossicu, u fluorocarbonu stessu hè un polveru non tossicu biancu. L'emergenza di a batteria Li‖CF_x ┤ pò esse dichjaratu chì hè a prima vera batteria di lithium cummerciale. A batteria Li‖CF_x ┤ hè una batteria primaria. Eppuru, a so capacità hè tamanta, a capacità teorica hè 865mAh 〖Kg〗^(-1), è a so tensione di scaricamentu hè assai stabile in a longa distanza. Dunque, u putere hè stabile è u fenomenu di l'autodiscarica hè chjucu. Ma hà un rendimentu abysmal rate è ùn pò micca esse carica. Per quessa, hè in generale cumminata cù diossidu di manganese per fà e batterie Li‖CF_x ┤-MnO_2, chì sò usate cum'è batterie internu per qualchi sensori chjuchi, orologi, etc., è ùn sò micca stati eliminati.
Electrode positive : CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Electrode négatif : Li→〖Li〗^++e^-
In u 1975, a Sanyo Corporation di u Giappone hà inventatu a batteria Li‖MnO_2 ┤, prima utilizata in calculatrici solari ricaricabili. Questu pò esse cunsideratu cum'è a prima batteria di lithium rechargeable. Ancu s'è stu pruduttu era un grande successu in u Giappone in quellu tempu, a ghjente ùn hà micca una cunniscenza prufonda di tali materiale è ùn cunnosci micca u so diossidu di lithium è manganese. Chì tippu di ragiuni hè daretu à a reazione?
À quasi u listessu tempu, l'Americani cercanu una bateria reutilizable, chì ora chjamemu una bateria secundaria.
In u 1972, MBArmand (i nomi di certi scientisti ùn sò micca tradutti à u principiu) pruposti in un documentu di cunferenza M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (induve M hè un metallu alkali) è altri materiali cù una struttura blu prussiana. , È studiatu u so fenomenu di intercalazione di ioni. È in u 1973, J. Broadhead è altri di i Bell Labs anu studiatu u fenomenu di intercalazione di l'atomi di sulfuru è iodu in dichalcogenidi metalli. Questi studii preliminari nantu à u fenomenu di intercalazione di ioni sò a forza motrice più impurtante per u prugressu graduale di e batterie di lithium. A ricerca uriginale hè precisa per via di sti studii chì più tardi batterie di lithium-ion diventanu pussibuli.
In u 1975, Martin B. Dines di Exxon (u predecessore di Exxon Mobil) hà realizatu calculi preliminari è esperimenti nantu à l'intercalazione trà una seria di dichalcogenidi di metalli di transizione è metalli alkali è in u stessu annu, Exxon era un altru nome Scientist MS Whittingham hà publicatu una patente. nantu à a piscina Li‖TiS_2 ┤. È in u 1977, Exoon hà cummercializatu una bateria basata nantu à Li-Al‖TiS_2┤, in quale l'aliazione di lithium aluminium pò rinfurzà a sicurità di a bateria (ancu ci hè ancu un risicu più significativu). Dopu à quessa, tali sistemi di batterie sò stati successivamente utilizati da Eveready in i Stati Uniti. Cummercializazione di Battery Company è Grace Company. A bateria Li‖TiS_2 ┤ pò esse a prima bateria di lithium secundaria in u veru sensu, è era ancu u sistema di bateria più caldu in quellu tempu. À quellu tempu, a so densità di energia era circa 2-3 volte quella di e batterie di piombo-acidu.
Elettrodu pusitivu: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Electrode négatif : Li→〖Li〗^++e^-
À u listessu tempu, u scientist canadianu MA Py hà inventatu a bateria Li‖MoS_2┤ in 1983, chì pò avè una densità di energia di 60-65Wh 〖Kg〗^(-1) à 1/3C, chì hè equivalente à Li‖TiS_2┤ batteria. Basatu nantu à questu, in u 1987, a cumpagnia canadiana Moli Energy hà lanciatu una batteria di lithium veramente largamente cummercializata, chì era assai cercata in u mondu sanu. Questu duveria esse un avvenimentu storicu significativu, ma l'ironia hè chì hè ancu pruvucannu a decadenza di Moli dopu. Allora in a primavera di u 1989, Moli Company hà lanciatu i so prudutti di batterie Li‖MoS_2┤ di seconda generazione. À a fine di a primavera di u 1989, u pruduttu di a batteria Li‖MoS_2┤ di prima generazione di Moli hà splutatu è hà causatu un panicu à grande scala. In l'estiu di u stessu annu, tutti i prudutti sò stati ricurdati, è i vittimi sò stati compensati. À a fine di u stessu annu, Moli Energy hà dichjaratu fallimentu è hè statu acquistatu da u NEC di u Giappone in a primavera di u 1990. Hè vale a dì chì si dice chì Jeff Dahn, un scientist canadianu à l'epica, guidava u prughjettu di a bateria à Moli. Energia è dimissioni per via di a so opposizione à u listinu cuntinuatu di Li‖MoS_2 ┤ batterie.
Elettrodu pusitivu: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Electrode négatif : Li→〖Li〗^++e^-
Finu a ora, e batterie di lithium metal anu abbandunà gradualmente a vista di u publicu. Pudemu vede chì durante u periodu da u 1970 à u 1980, a ricerca di i scientisti nantu à e batterie di lithium era principarmenti cuncentrata nantu à i materiali di catodi. U scopu finale hè invariabilmente focu annantu à i dichalcogenidi di metalli di transizione. Per via di a so struttura stratificata (dichalcogenides di metallu di transizione sò oghji largamente studiatu cum'è materiale bidimensionale), i so strati è Ci sò abbastanza spazii trà i strati per accoglie l'inserzione di ioni di lithium. À quellu tempu, ci era troppu pocu ricerca nantu à i materiali di l'anodu durante stu periodu. Ancu s'ellu certi studii anu focu annantu à l'alleazione di lithium metal per rinfurzà a so stabilità, u lithium metal stessu hè troppu inestabile è periculoso. Puru splusioni batterie di Moli era un evenimentu chì scunnisciuti u mondu sanu, ci sò stati parechji Casi di l 'splusioni di batterie di lithium metallu.
Inoltre, a ghjente ùn sapia micca bè a causa di l'esplosione di batterie di lithium. Inoltre, u metale di litiu era una volta cunzidiratu un materiale d'elettrodu negativu insustituibile per via di e so boni proprietà. Dopu à l'esplosione di a bateria di Moli, l'accettazione di e persone di e batterie di lithium metal hè cascata, è e batterie di lithium intrinu in un periodu scuru.
Per avè una bateria più sicura, a ghjente deve principià cù u materiale di l'elettrodu dannusu. Tuttavia, ci sò una seria di prublemi quì: u putenziale di lithium metallu hè pocu prufonda, è l'usu di altri elettrodi negativi composti aumenterà u putenziale di l'elettrodu negativu, è in questu modu, batterie di lithium A diferenza di potenziale generale serà ridutta, chì riducerà. a densità energetica di a tempesta. Dunque, i scientisti anu da truvà u materiale di cathode d'alta tensione currispundente. À u listessu tempu, l'elettrolitu di a bateria deve currisponde à a tensione positiva è negativa è a stabilità di u ciclu. À u listessu tempu, a conduttività di l'elettroliti è a resistenza à u calore hè megliu. Questa seria di dumande hà perplessu i scientisti per un bellu pezzu per truvà una risposta più satisfactoria.
U primu prublema per i scientisti à risolve hè di truvà un materiale d'elettrodu sicuru è dannosu chì pò rimpiazzà u lithium metal. Lithium metallu stessu hà troppu attività chimica, è una seria di prublemi crescita di dendrite sò troppu duru nant'à l 'ambienti usu è cundizioni, è ùn hè sicuru. Graphite hè avà u corpu principale di l'elettrodu negativu di batterie di lithium-ion, è a so applicazione in batterie di lithium hè stata studiata prima di 1976. In u 1976, Besenhard, JO hà realizatu un studiu più detallatu nantu à a sintesi elettrochimica di LiC_R. In ogni casu, ancu s'è u grafitu hà proprietà eccellenti (alta conductività, alta capacità, putenziale bassu, inerte, etc.), à quellu tempu, l'elettrolitu utilizatu in batterie di lithium hè generalmente a suluzione PC di LiClO_4 citata sopra. Grafite hà un prublema impurtante. In l'absenza di prutezzione, e molécule di l'elettroliti PC entreranu ancu in a struttura di grafite cù l'intercalazione di lithium-ion, risultatu in una diminuzione di u rendiment di u ciclu. Dunque, u grafite ùn era micca favuritu da i scientisti in quellu tempu.
In quantu à u materiale di cathode, dopu à a ricerca di u stadiu di a bateria di lithium metal, i scientisti anu truvatu chì u materiale di l'anodu di lithiation stessu hè ancu un materiale di almacenamento di lithium cù una bona reversibilità, cum'è LiTiS_2,〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) è cusì, è nantu à sta basa, 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x <3), LiV_2 O_8 è altri materiali sò stati sviluppati. È i scientisti sò gradualmente familiarizati cù diversi canali di ioni tridimensionali (1D), intercalazioni di ioni in strati bidimensionali (1D) è strutture di rete di trasmissione di ioni tridimensionali.
A ricerca più famosa di u prufissore John B. Goodenough nantu à LiCoO_2 (LCO) hè ancu accadutu à questu tempu. In u 1979, Goodenougd et al. sò stati inspirati da un articulu nantu à a struttura di NaCoO_2 in 1973 è scupertu LCO è publicatu un articulu di patente. LCO hà una struttura di intercalazione stratificata simile à i disulfuri di metalli di transizione, in quale i ioni di litiu ponu esse inseriti è estratti in modu reversibile. Se i ioni di lithium sò completamente estratti, una struttura stretta di CoO_2 serà formata, è pò esse reinseritu cù ioni di lithium per u lithium (Di sicuru, una batteria attuale ùn permetterà micca i ioni di lithium per esse estratti interamente, chì pruvucarà a capacità di decadenza rapidamente). In u 1986, Akira Yoshino, chì era sempre travagliatu in Asahi Kasei Corporation in Giappone, hà cumminatu i trè di LCO, coke è LiClO_4 PC solu per a prima volta, diventendu a prima moderna batteria secondaria di lithium-ion è diventendu lithium attuale. a bateria. Sony hà rimarcatu rapidamente a patente LCO di u vechju "abbastanza bè" è hà ottenutu l'autorizazione per aduprà. In u 1991, hà cummercializatu a bateria di lithium-ion LCO. U cuncettu di batterie di lithium-ion hè ancu apparsu à questu tempu, è a so idea cuntinueghja ancu à questu ghjornu. (Vale da nutà chì e batterie di lithium-ion di prima generazione di Sony è Akira Yoshino utilizanu ancu carbonu duru cum'è l'elettrodu negativu invece di grafitu, è u mutivu hè chì u PC sopra hà intercalazione in grafite)
Elettrodu pusitivu: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Elettrodu negativu: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
Per d 'altra banda, in u 1978, Armand, M. hà prupostu l'usu di polyethylene glycol (PEO) cum'è un elettrolitu polimeru solidu per risolve u prublema di sopra chì l'anodu di grafite hè facilmente incrustatu in molécule di PC di solvente (l'elettrolitu mainstream in quellu tempu ancora. usa PC, DEC suluzione mista), chì mette grafite in u sistemu batterie di lithium per a prima volta, è prupostu u cuncettu di batterie rocking-chair (rocking-chair) in l 'annu dopu. Un tali cuncettu hà cuntinuatu à u presente. I sistemi elettroliti mainstream attuali, cum'è ED / DEC, EC / DMC, etc., apparsu solu lentamente in l'anni 1990 è sò stati in usu dapoi.
Duranti u listessu periodu, i scientisti anu ancu esploratu una seria di batterie: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ batterie, Li‖V〖SE〗_2 ┤ batterie, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 batterie, Li‖CuO,┤batterie, Li ‖I_2 ┤Batterie, etc., perchè sò menu preziosi avà, è ùn ci sò micca parechji tipi di ricerca per ùn avè micca intruduce in dettagliu.
L'era di u sviluppu di e batterie di lithium-ion dopu à 1991 hè l'era chì simu avà. Quì ùn aghju micca riassuntu u prucessu di sviluppu in dettagliu, ma brevemente intruduce u sistema chimicu di uni pochi di batterie di lithium-ion.
Un'intruduzioni à i sistemi di batterie di lithium-ion attuali, quì hè a prossima parte.
rispondi in 6 ore, ogni dumanda hè benvenuta!
