Ανάπτυξη και Χαρακτηρισμός Μπαταριών Li

Abstract

Μια τεχνολογία ταχέως αναπτυσσόμενη τις τελευταίες δεκαετίες αποτελεί η μπαταρία λιθίου-ιόντος. Πολύ διαδεδομένη στη χρήση της συναντάται στις πλέον καθημερινές και ηλεκτρονικά απαιτητικές συσκευές, όπως στους φορητούς υπολογιστές και τα κινητά τηλέφωνα. Ταυτόχρονα, εκτός από ελπιδοφόρα ως προς τα αποτελέσματά της πηγή αποθήκευσης και κατανάλωσης ενέργειας, αποτελεί και πεδίο εκτεταμένων ερευνών και μελετών, λόγω των μειονεκτημάτων που επιδεικνύει. Κύρια συνισταμένη των οποίων είναι η βελτίωση της ποιότητας της προκείμενης μπαταρίας και η επέκταση της χρήσης της σε πιο απαιτητικές ενεργειακά και περιβαλλοντικά μηχανές, όπως τα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα. Αντικείμενο, λοιπόν της διπλωματικής εργασίας είναι η έρευνα, περιγραφή και τελικά ο ηλεκτρονικός και μικρογραφικός χαρακτηρισμός της δομής και της λειτουργίας του στοιχείου λιθίου-ιόντος(Li-ion). Επομένως, η θεωρητική κατανόηση της δομής και του τρόπου λειτουργίας της, συνδυαζόμενη με την κατασκευή και αξιολόγηση μιας μπαταρίας λιθίου-ιόντος θα αποτελέσουν τον κατάλληλο συνδυασμό, που θα υφάνει μια αξιόπιστη και ενδελεχής παρουσίασης αυτής της σημαντικής πηγής ενέργειας. Σε αυτήν την κατεύθυνση, αναλύεται πρωτίστως ο ρόλος των κυρίαρχων μελών του στοιχείου, όπως η κάθοδος, η άνοδος και ο ηλεκτρολύτης, η σκοπιμότητα επιλογής και χρήσης των καθοδικών(LiCoO2, LiFePO4) και ανοδικών(διάφορες μορφές άνθρακα-C) ενεργών υλικών και της χημείας του αγώγιμου μέσου, η μικροδομή τους και τέλος οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που αναπτύσσονται μέσα στο κελί. Στη συνέχεια, περιγράφεται η παραγωγική διαδικασία κατασκευής στοιχείων λιθίου-ιόντος με ανοδικό υλικό, το γραφίτη(C), καθοδικό υλικό το άλας LiFePO4 και ηλεκτρολύτη το άλας LiPF6 σε οργανικό διαλύτη. Επίσης, παρατηρούνται μικρογραφικά τα ηλεκτρόδια, μέσω της περίθλασης ακτίνων-Χ και της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης(SEM). Η συνολική κατασκευή υφίσταται συνεχείς μετρήσεις φόρτισης-αποφόρτισης και καταγραφή των τιμών των ποιοτικών μεγεθών της(τάση-V, ένταση-mA, ισχύς-mW, χωρητικότητα-mAh, ενέργεια-mWh). Τελικώς, τα συμπεράσματα επιβεβαιώνουν τη θεωρία. Εν’ προκειμένω η μπαταρία λιθίου-ιόντος(Li-ion) χαρακτηρίζεται από υψηλή τάση σε καθεστώς πλήρους φόρτισης, καλή ηλεκτρική χωρητικότητα, σημαντική αντοχή στην υποβάθμιση της απόδοσής της στους συνεχόμενους κύκλους φόρτισης-αποφόρτισης και εντυπωσιακά μικρό ποσοστό αυτο-αποφόρτισης. Από την άλλη πλευρά, υποφέρει από απώλεια σημαντικών ποσοστών ενεργειακής απολαβής(σύντομη διάρκεια ζωής), αργή διαδικασία φόρτισης και παρουσία ανεπιθύμητων ηλεκτροχημικών αντιδράσεων.

The Lithium-ion battery has undoubtedly been one of the most rapidly growing technological applications in recent decades. So widespread is its use that nowadays it is found in most everyday, energy demanding electronic appliances, such as portable computers and cell phones. At the same time, despite its promising performance as a form of energy storage and source, the battery has been the subject of rigorous studies and research due to its drawbacks. The focus of most of the research has been the improvement of the overall quality of the battery and its successful application in more energy demanding and environmental friendly machines, such as hybrid and electric vehicles. The subject of this thesis is the research, description and finally the electronic and micrographic analysis of the structure and function of the lithium-ion cell (Li-ion). Consequently, the theoretical understanding of the structure and operating methods, coupled with the construction and critical evaluation of a Li-ion battery will be the suitable combination that will compile a reliable and in-depth presentation of this important energy source. To this end, the role of the main parts of the cell (such as the cathode, the anode and the electrolyte), the criterion according to which the cathodic (LiCoO2, LiFePO4) and anodic (various forms of carbon-C) active materials should be chosen, their microstructure, the chemistry of the conductive agent, and finally the electrochemical reactions which take place in the cell are analyzed. Next, the construction of a lithium-ion cell having graphite (C) as anodic material, LiFePO4 as cathodic material and LiPH6 in organic solvent as electrolyte is described. Furthermore, with the aid of X-Ray diffraction and SEM, the electrodes are micro-graphically analyzed. What’s more, the overall construction undergoes a series of rigorous charging- discharging tests and the qualitative values are carefully recorded (voltage-V, current-mA, power-mW, capacity-mAh, energy-mWh). Finally, the findings support the theory. In general, the Li-ion cell is characterized by high voltage when fully charged, good capacity, great resistance to performance degradation during continuous charging-discharging cycles and impressively small percentage of self-discharging. On the other hand though, it suffers from considerable energy loss (short life expectancy), long charging periods and undesired electrochemical reactions.