Efallai y bydd tarddiad y ddyfais batri yn dechrau gyda darganfod y botel Leiden. Dyfeisiwyd y botel Leiden gyntaf gan y gwyddonydd Iseldiraidd Pieter van Musschenbroek ym 1745. Mae jar Leyden yn ddyfais cynhwysydd cyntefig. Mae'n cynnwys dwy ddalen fetel wedi'u gwahanu gan ynysydd. Defnyddir y wialen fetel uchod i storio a rhyddhau tâl. Pan fyddwch chi'n cyffwrdd â'r gwialen Pan ddefnyddir y bêl fetel, gall y botel Leiden gadw neu dynnu'r egni trydan mewnol, ac mae ei egwyddor a'i baratoi yn syml. Gall unrhyw un sydd â diddordeb ei wneud ar ei ben ei hun gartref, ond mae ei ffenomen hunan-ollwng yn fwy difrifol oherwydd ei ganllaw syml. Yn gyffredinol, bydd yr holl drydan yn cael ei ollwng mewn ychydig oriau i ychydig ddyddiau. Fodd bynnag, mae ymddangosiad y botel Leiden yn nodi cam newydd yn yr ymchwil i drydan.
Yn y 1790au, darganfu'r gwyddonydd Eidalaidd Luigi Galvani y defnydd o wifrau sinc a chopr i gysylltu coesau broga a chanfod y byddai coesau broga'n plycio, felly cynigiodd y cysyniad o "bioelectricity." Achosodd y darganfyddiad hwn i'r gwyddonydd Eidalaidd Alessandro bweru. Gwrthwynebiad Volta, mae Volta yn credu bod plycio coesau'r broga yn dod o'r cerrynt trydan a gynhyrchir gan y metel yn hytrach na'r cerrynt trydan ar y broga. I wrthbrofi damcaniaeth Galvani, cynigiodd Volta ei Volta Stack enwog. Mae'r simnai foltaidd yn cynnwys dalennau sinc a chopr gyda chardbord wedi'i socian mewn dŵr halen rhyngddynt. Dyma'r prototeip o batri cemegol arfaethedig.
Hafaliad adwaith electrod cell foltaidd:
electrod positif: 2H ^++2e^- →H_2
electrod negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Ym 1836, dyfeisiodd y gwyddonydd Prydeinig John Frederic Daniell y batri Daniel i ddatrys problem swigod aer yn y batri. Mae gan fatri Daniel y ffurf sylfaenol o fatri cemegol modern. Mae'n cynnwys dwy ran. Mae'r rhan gadarnhaol yn cael ei drochi mewn hydoddiant copr sylffad. Mae'r rhan arall o gopr yn sinc wedi'i drochi mewn hydoddiant sinc sylffad. Llenwwyd y batri Daniel gwreiddiol â hydoddiant copr sylffad mewn jar copr a gosodwyd cynhwysydd silindrog mandyllog ceramig yn y canol. Yn y cynhwysydd ceramig hwn, mae gwialen sinc a sinc sylffad fel yr electrod negyddol. Yn yr ateb, mae'r tyllau bach yn y cynhwysydd ceramig yn caniatáu i'r ddau allwedd gyfnewid ïonau. Mae batris modern Daniel yn bennaf yn defnyddio pontydd halen neu bilenni lled-athraidd i gyflawni'r effaith hon. Defnyddiwyd batris Daniel fel ffynhonnell pŵer ar gyfer y rhwydwaith telegraff nes bod batris sych yn eu disodli.
Hafaliad adwaith electrod y batri Daniel:
Electrod positif: 〖Cu〗^(2+)+2e^- → Cu
electrod negatif: Zn→〖Zn〗^(2+)+2e^-
Hyd yn hyn, mae ffurf sylfaenol y batri wedi'i bennu, sy'n cynnwys yr electrod positif, yr electrod negyddol, a'r electrolyte. Ar sail o'r fath, mae batris wedi datblygu'n gyflym yn y 100 mlynedd nesaf. Mae llawer o systemau batri newydd wedi ymddangos, gan gynnwys y gwyddonydd Ffrengig Gaston Planté a ddyfeisiodd batris asid plwm ym 1856. Batris plwm-asid Mae ei gyfredol allbwn mawr a phris isel wedi denu sylw eang, felly fe'i defnyddir mewn llawer o ddyfeisiau symudol, megis trydan cynnar cerbydau. Fe'i defnyddir yn aml fel cyflenwad pŵer wrth gefn ar gyfer rhai ysbytai a gorsafoedd sylfaen. Mae batris asid plwm yn bennaf yn cynnwys plwm, plwm deuocsid, a hydoddiant asid sylffwrig, a gall eu foltedd gyrraedd tua 2V. Hyd yn oed yn y cyfnod modern, nid yw batris asid plwm wedi'u dileu oherwydd eu technoleg aeddfed, prisiau isel, a systemau dŵr mwy diogel.
Hafaliad adwaith electrod batri asid plwm:
Positive electrode: PbO_2+〖SO〗_4^(2-)+4H^++2e^-→Pb〖SO〗_4+2H_2 O
Electrod negyddol: Pb+〖SO〗_4^(2-)→Pb〖SO〗_4+2e^-
Mae'r batri nicel-cadmiwm, a ddyfeisiwyd gan y gwyddonydd o Sweden Waldemar Jungner ym 1899, yn cael ei ddefnyddio'n ehangach mewn dyfeisiau electronig symudol bach, megis walkmans cynnar, oherwydd ei ddwysedd ynni uwch na batris asid plwm. Yn debyg i batris plwm-asid. Mae batris nicel-cadmiwm hefyd wedi'u defnyddio'n eang ers y 1990au, ond mae eu gwenwyndra yn gymharol uchel, ac mae gan y batri ei hun effaith cof penodol. Dyna pam yr ydym yn aml yn clywed rhai oedolion hŷn yn dweud bod yn rhaid i'r batri gael ei ollwng yn llawn cyn ei ailwefru ac y bydd batris gwastraff yn halogi'r tir, ac ati. (Sylwch fod hyd yn oed batris cyfredol yn wenwynig iawn ac ni ddylid eu taflu ym mhobman, ond nid oes gan batris lithiwm cyfredol fanteision cof, ac mae gor-ollwng yn niweidiol i fywyd batri.) Mae batris nicel-cadmiwm yn fwy niweidiol i'r amgylchedd, a'u bydd ymwrthedd mewnol yn newid gyda thymheredd, a all achosi difrod oherwydd cerrynt gormodol wrth godi tâl. Fe wnaeth batris nicel-hydrogen ei ddileu yn raddol tua 2005. Hyd yn hyn, anaml y gwelir batris nicel-cadmiwm yn y farchnad.
Hafaliad adwaith electrod o batri nicel-cadmiwm:
Positive electrode: 2NiO(OH)+2H_2 O+2e^-→2OH^-+2Ni〖(OH)〗_2
Electrod negyddol: Cd+2OH^-→Cd〖(OH)〗_2+2e^-
Cam batri metel lithiwm
Yn y 1960au, daeth pobl i mewn i gyfnod batris lithiwm yn swyddogol.
Darganfuwyd metel lithiwm ei hun ym 1817, a sylweddolodd pobl yn fuan fod priodweddau ffisegol a chemegol metel lithiwm yn cael eu defnyddio'n gynhenid fel deunyddiau ar gyfer batris. Mae ganddo ddwysedd isel (0.534g 〖cm〗^ (-3)), cynhwysedd mawr (damcaniaethol hyd at 3860mAh g ^ (-1)), a'i botensial isel (-3.04V o'i gymharu â electrod hydrogen safonol). Mae'r rhain bron yn dweud wrth bobl mai fi yw deunydd electrod negyddol y batri delfrydol. Fodd bynnag, mae gan fetel lithiwm ei hun broblemau enfawr. Mae'n rhy weithgar, yn ymateb yn dreisgar â dŵr, ac mae ganddo ofynion uchel ar yr amgylchedd gweithredu. Felly, am amser hir, roedd pobl yn ddiymadferth ag ef.
Ym 1913, mesurodd Lewis a Keyes botensial yr electrod metel lithiwm. A chynhaliodd brawf batri gyda ïodid lithiwm mewn datrysiad propylamine fel yr electrolyte, er iddo fethu.
Ym 1958, soniodd William Sidney Harris yn ei draethawd doethuriaeth ei fod yn rhoi metel lithiwm mewn gwahanol atebion ester organig ac arsylwi ffurfio cyfres o haenau passivation (gan gynnwys metel lithiwm mewn asid perchloric). Lithiwm LiClO_4
Y ffenomen yn y datrysiad PC o garbonad propylen, ac mae'r datrysiad hwn yn system electrolyte hanfodol mewn batris lithiwm yn y dyfodol), a gwelwyd ffenomen trosglwyddo ïon penodol, felly mae rhai arbrofion electrodeposition rhagarweiniol wedi'u gwneud yn seiliedig ar hyn. Arweiniodd yr arbrofion hyn yn swyddogol at ddatblygiad batris lithiwm.
Ym 1965, cynhaliodd NASA astudiaeth fanwl ar ffenomenau gwefru a gollwng batris Li||Cu mewn datrysiadau PC perchlorate lithiwm. Systemau electrolytau eraill, gan gynnwys dadansoddi LiBF_4, LiI, LiAl〖Cl〗_4, LiCl, Mae'r ymchwil hwn wedi ennyn diddordeb mawr mewn systemau electrolyt organig.
Ym 1969, dangosodd patent fod rhywun wedi dechrau ceisio masnacheiddio batris toddiant organig gan ddefnyddio metelau lithiwm, sodiwm a photasiwm.
Ym 1970, dyfeisiodd Corfforaeth Panasonic Japan y batri Li‖CF_x ┤, lle mae cymhareb x yn gyffredinol 0.5-1. Mae CF_x yn fflworocarbon. Er bod nwy fflworin yn wenwynig iawn, mae'r fflworocarbon ei hun yn bowdr di-wenwynig oddi ar y gwyn. Gellir dweud mai ymddangosiad batri Li‖CF_x ┤ yw'r batri lithiwm masnachol gwirioneddol cyntaf. Batri sylfaenol yw batri Li‖CF_x ┤. Er hynny, mae ei allu yn enfawr, y gallu damcaniaethol yw 865mAh 〖Kg 〗 ^ (-1), ac mae ei foltedd rhyddhau yn sefydlog iawn yn yr ystod hir. Felly, mae'r pŵer yn sefydlog ac mae'r ffenomen hunan-ollwng yn fach. Ond mae ganddo berfformiad cyfradd affwysol ac ni ellir ei godi. Felly, caiff ei gyfuno'n gyffredinol â manganîs deuocsid i wneud batris Li‖CF_x ┤-MnO_2, a ddefnyddir fel batris mewnol ar gyfer rhai synwyryddion bach, clociau, ac ati, ac nid ydynt wedi'u dileu.
Electrod positif: CF_x+xe^-+x〖Li〗^+→C+xLiF
Electrod negyddol: Li→〖Li〗^++e^-
Ym 1975, dyfeisiodd Sanyo Corporation Japan y batri Li‖MnO_2 ┤, a ddefnyddiwyd gyntaf mewn cyfrifianellau solar y gellir eu hailwefru. Gellir ystyried hwn fel y batri lithiwm aildrydanadwy cyntaf. Er bod y cynnyrch hwn yn llwyddiant mawr yn Japan ar y pryd, nid oedd gan bobl ddealltwriaeth ddwfn o ddeunydd o'r fath ac nid oeddent yn gwybod ei lithiwm a manganîs deuocsid. Pa fath o reswm sydd y tu ôl i'r adwaith?
Ar yr un pryd bron, roedd yr Americanwyr yn chwilio am fatri y gellir ei hailddefnyddio, yr ydym bellach yn ei alw'n batri eilaidd.
Ym 1972, cynigiwyd MBArmand (ni chyfieithwyd enwau rhai gwyddonwyr ar y dechrau) mewn papur cynhadledd M_(0.5) Fe〖(CN)〗_3 (lle mae M yn fetel alcali) a deunyddiau eraill gyda strwythur glas Prwsia. , Ac astudiodd ei ffenomen intercalation ïon. Ac ym 1973, astudiodd J. Broadhead ac eraill o Bell Labs y ffenomen intercalation o atomau sylffwr ac ïodin mewn dichalcogenides metel. Yr astudiaethau rhagarweiniol hyn ar y ffenomen intercalation ïon yw'r grym gyrru pwysicaf ar gyfer cynnydd graddol batris lithiwm. Mae'r ymchwil wreiddiol yn fanwl gywir oherwydd yr astudiaethau hyn y daw batris lithiwm-ion diweddarach yn bosibl.
Ym 1975, cynhaliodd Martin B. Dines o Exxon (rhagflaenydd Exxon Mobil) gyfrifiadau ac arbrofion rhagarweiniol ar y rhyng-gymhwysedd rhwng cyfres o ddeuchalcogenidau metel trosiannol a metelau alcali ac yn yr un flwyddyn, Exxon oedd enw arall Cyhoeddodd y Gwyddonydd MS Whittingham batent ar Li‖TiS_2 ┤ pwll. Ac ym 1977, masnachodd Exoon batri yn seiliedig ar Li-Al‖TiS_2┤, lle gall aloi alwminiwm lithiwm wella diogelwch y batri (er bod risg fwy sylweddol o hyd). Ar ôl hynny, mae systemau batri o'r fath wedi cael eu defnyddio'n olynol gan Eveready yn yr Unol Daleithiau. Masnacheiddio Cwmni Batri a Chwmni Grace. Gall y batri Li‖TiS_2 ┤ fod y batri lithiwm uwchradd cyntaf yn y gwir ystyr, a dyma hefyd oedd y system batri poethaf ar y pryd. Ar y pryd, roedd ei ddwysedd ynni tua 2-3 gwaith yn fwy na batris asid plwm.
Electrod positif: TiS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x TiS_2
Electrod negyddol: Li→〖Li〗^++e^-
Ar yr un pryd, dyfeisiodd y gwyddonydd o Ganada MA Py y batri Li‖MoS_2┤ ym 1983, a all fod â dwysedd ynni o 60-65Wh 〖Kg 〗 ^ (-1) ar 1/3C, sy'n cyfateb i Li‖TiS_2┤ batri. Yn seiliedig ar hyn, ym 1987, lansiodd y cwmni o Ganada Moli Energy fatri lithiwm hynod fasnachol, y mae galw mawr amdano ledled y byd. Dylai hwn fod wedi bod yn ddigwyddiad hanesyddol arwyddocaol, ond yr eironi yw ei fod hefyd yn achosi dirywiad Moli wedi hynny. Yna yng ngwanwyn 1989, lansiodd Moli Company ei gynhyrchion batri Li‖MoS_2┤ ail genhedlaeth. Ar ddiwedd gwanwyn 1989, ffrwydrodd cynnyrch batri Li‖MoS_2┤ cenhedlaeth gyntaf Moli gan achosi panig ar raddfa fawr. Yn ystod haf yr un flwyddyn, galwyd yr holl gynhyrchion yn ôl, a chafodd y dioddefwyr eu digolledu. Ar ddiwedd yr un flwyddyn, datganodd Moli Energy fethdaliad a chafodd ei gaffael gan NEC Japan yng ngwanwyn 1990. Mae'n werth nodi y sonnir bod Jeff Dahn, gwyddonydd o Ganada ar y pryd, yn arwain y prosiect batri yn Moli Ynni ac ymddiswyddodd oherwydd ei wrthwynebiad i barhau i restru batris Li‖MoS_2 ┤.
Electrod positif: MoS_2+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x MoS_2
Electrod negyddol: Li→〖Li〗^++e^-
Hyd yn hyn, mae batris metel lithiwm wedi gadael golwg y cyhoedd yn raddol. Gallwn weld, yn ystod y cyfnod rhwng 1970 a 1980, fod ymchwil gwyddonwyr ar batris lithiwm yn canolbwyntio'n bennaf ar ddeunyddiau catod. Mae'r nod terfynol yn ddieithriad yn canolbwyntio ar ddeuchalcogenides metel trosiannol. Oherwydd eu strwythur haenog (deuchalcogenides metel trosiannol bellach yn cael eu hastudio'n eang fel deunydd dau ddimensiwn), eu haenau a Mae digon o fylchau rhwng yr haenau i ddarparu ar gyfer mewnosod ïonau lithiwm. Ar y pryd, nid oedd digon o ymchwil ar ddeunyddiau anod yn ystod y cyfnod hwn. Er bod rhai astudiaethau wedi canolbwyntio ar aloi metel lithiwm i wella ei sefydlogrwydd, mae metel lithiwm ei hun yn rhy ansefydlog a pheryglus. Er bod ffrwydrad batri Moli yn ddigwyddiad a oedd yn sioc i'r byd, bu llawer o achosion o ffrwydrad batris metel lithiwm.
Ar ben hynny, nid oedd pobl yn gwybod achos y ffrwydrad o batris lithiwm yn dda iawn. Yn ogystal, roedd metel lithiwm unwaith yn cael ei ystyried yn ddeunydd electrod negyddol anadnewyddadwy oherwydd ei briodweddau da. Ar ôl ffrwydrad batri Moli, plymiodd derbyniad pobl o fatris metel lithiwm, a dechreuodd batris lithiwm gyfnod tywyll.
Er mwyn cael batri mwy diogel, rhaid i bobl ddechrau gyda'r deunydd electrod niweidiol. Yn dal i fod, mae yna gyfres o broblemau yma: mae potensial metel lithiwm yn fas, a bydd y defnydd o electrodau negyddol cyfansawdd eraill yn cynyddu'r potensial electrod negyddol, ac yn y modd hwn, batris lithiwm Bydd y gwahaniaeth potensial cyffredinol yn cael ei leihau, a fydd yn lleihau dwysedd ynni'r storm. Felly, mae'n rhaid i wyddonwyr ddod o hyd i'r deunydd catod foltedd uchel cyfatebol. Ar yr un pryd, rhaid i electrolyt y batri gyd-fynd â'r folteddau positif a negyddol a sefydlogrwydd beiciau. Ar yr un pryd, mae dargludedd yr electrolyte Ac ymwrthedd gwres yn well. Fe wnaeth y gyfres hon o gwestiynau ddrysu gwyddonwyr am amser hir i ddod o hyd i ateb mwy boddhaol.
Y broblem gyntaf i wyddonwyr ei datrys yw dod o hyd i ddeunydd electrod diogel, niweidiol a all ddisodli metel lithiwm. Mae gan fetel lithiwm ei hun ormod o weithgaredd cemegol, ac mae cyfres o broblemau twf dendrite wedi bod yn rhy llym ar yr amgylchedd a'r amodau defnydd, ac nid yw'n ddiogel. Graffit bellach yw prif gorff electrod negyddol batris lithiwm-ion, ac mae ei gymhwysiad mewn batris lithiwm wedi'i astudio mor gynnar â 1976. Ym 1976, mae Besenhard, JO wedi cynnal astudiaeth fanylach ar synthesis electrocemegol LiC_R. Fodd bynnag, er bod gan graffit briodweddau rhagorol (dargludedd uchel, cynhwysedd uchel, potensial isel, inertness, ac ati), ar yr adeg honno, yr electrolyte a ddefnyddir mewn batris lithiwm yn gyffredinol yw'r datrysiad PC o LiClO_4 a grybwyllir uchod. Mae gan graffit broblem sylweddol. Yn absenoldeb amddiffyniad, bydd y moleciwlau PC electrolyte hefyd yn mynd i mewn i'r strwythur graffit gyda'r intercalation lithiwm-ion, gan arwain at ostyngiad mewn perfformiad beicio. Felly, nid oedd graffit yn cael ei ffafrio gan wyddonwyr bryd hynny.
O ran y deunydd catod, ar ôl ymchwil cam batri metel lithiwm, canfu'r gwyddonwyr fod y deunydd anod lithiation ei hun hefyd yn ddeunydd storio lithiwm gyda gwrthdroadwyedd da, megis LiTiS_2, 〖Li〗_x V〖Se〗_2 (x =1,2) ac yn y blaen, ac ar y sail hon, mae 〖Li〗_x V_2 O_5 (0.35≤x<3), LiV_2 O_8 a deunyddiau eraill wedi'u datblygu. Ac mae gwyddonwyr wedi dod yn gyfarwydd yn raddol â sianeli ïon 1-dimensiwn amrywiol (1D), intercalation ïon haenog 2-dimensiwn (2D), a strwythurau rhwydwaith trawsyrru ïon 3-dimensiwn.
Digwyddodd ymchwil enwocaf yr Athro John B. Goodenough ar LiCoO_2 (LCO) ar yr adeg hon hefyd. Yn 1979, Goodenougd et al. eu hysbrydoli gan erthygl ar strwythur NaCoO_2 yn 1973 a darganfod LCO a chyhoeddi erthygl patent. Mae gan LCO strwythur intercalation haenog tebyg i disulfides metel trosiannol, lle gellir mewnosod ïonau lithiwm cildroadwy a'u hechdynnu. Os caiff yr ïonau lithiwm eu tynnu'n llwyr, bydd strwythur CoO_2 wedi'i bacio'n agos yn cael ei ffurfio, a gellir ei ail-osod ag ïonau lithiwm ar gyfer lithiwm (Wrth gwrs, ni fydd batri gwirioneddol yn caniatáu i'r ïonau lithiwm gael eu tynnu'n gyfan gwbl, sy'n yn achosi i'r gallu bydru'n gyflym). Ym 1986, cyfunodd Akira Yoshino, a oedd yn dal i weithio yn Asahi Kasei Corporation yn Japan, y tri o LCO, golosg, a datrysiad LiClO_4 PC am y tro cyntaf, gan ddod yn batri uwchradd lithiwm-ion modern cyntaf a dod yn lithiwm cyfredol Conglfaen y batri. Sylwodd Sony yn gyflym ar batent LCO yr hen ddyn "digon da" a chafodd awdurdodiad i'w ddefnyddio. Ym 1991, fe fasnachodd y batri lithiwm-ion LCO. Ymddangosodd y cysyniad o batri lithiwm-ion hefyd ar yr adeg hon, ac mae ei syniad Hefyd yn parhau hyd heddiw. (Mae'n werth nodi bod batris lithiwm-ion cenhedlaeth gyntaf Sony ac Akira Yoshino hefyd yn defnyddio carbon caled fel yr electrod negyddol yn lle graffit, a'r rheswm yw bod gan y PC uchod intercalation mewn graffit)
Electrod positif: 6C+xe^-+x〖Li〗^+→〖Li〗_x C_6
Electrod negyddol: LiCoO_2→〖Li〗_(1-x) CoO_2+x〖Li〗^++xe^-
Ar y llaw arall, ym 1978, cynigiodd Armand, M. y defnydd o polyethylen glycol (PEO) fel electrolyte polymer solet i ddatrys y broblem uchod bod yr anod graffit wedi'i fewnosod yn hawdd mewn moleciwlau toddyddion PC (yr electrolyte prif ffrwd ar yr adeg honno o hyd yn defnyddio PC, datrysiad cymysg DEC), a roddodd graffit yn y system batri lithiwm am y tro cyntaf, a chynigiodd y cysyniad o fatri cadair siglo (cadair siglo) yn y flwyddyn ganlynol. Mae cysyniad o'r fath wedi parhau hyd heddiw. Dim ond yn araf yr ymddangosodd y systemau electrolyt prif ffrwd presennol, megis ED/DEC, EC/DMC, ac ati, yn y 1990au ac maent wedi cael eu defnyddio ers hynny.
Yn ystod yr un cyfnod, archwiliodd gwyddonwyr hefyd gyfres o fatris: Li‖Nb〖Se〗_3 ┤ batris, Li‖V〖SE〗_2 ┤ batris, Li‖〖Ag〗_2 V_4 ┤ O_11 batris, Li‖CuO┤ batris, Li ‖I_2 ┤ Batris, ac ati, oherwydd eu bod yn llai gwerthfawr nawr, ac nid oes llawer o fathau o ymchwil fel na fyddaf yn eu cyflwyno'n fanwl.
- Li-ion batri cam
Y cyfnod o ddatblygiad batri lithiwm-ion ar ôl 1991 yw'r cyfnod yr ydym ynddo nawr. Yma ni fyddaf yn crynhoi'r broses ddatblygu yn fanwl ond yn cyflwyno'n fyr system gemegol ychydig o fatris lithiwm-ion.
Cyflwyniad i systemau batri lithiwm-ion cyfredol, dyma'r rhan nesaf.
Blaenorol: Beic Trydan Batri Lithiwm
nesaf: Beic Trydan Batri Lithiwm
