Überblick über die Entwicklungstrends der Lithiumbatteriematerialtechnologie

Dank der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge befinden sich Leistungsbatterien in der Hochgeschwindigkeitsentwicklung, und die Entwicklung neuer Energiefahrzeuge stellt auch höhere Anforderungen an die Leistung von Leistungsbatterien. Der Aktionsplan zur Förderung der Entwicklung der Automobilbatterieindustrie schlägt Erwähnungen vor: Bis 2020 wird die spezifische Energie der neuen Lithium-Ionen-Batteriezelle 300 Wh / kg überschreiten, und bis 2025 wird die spezifische Energie der neuen Systembatterie zunehmen erreichen 500wh / kg.

Unter dem doppelten Antrieb von Politik und Markt muss sich die Leistungsbatterie in Richtung einer hohen Energiedichte, einer hohen Zyklusleistung, einer hohen Sicherheitsleistung usw. entwickeln, was erfordert, dass Forschungseinrichtungen und Unternehmen Verbesserungen an Kathodenmaterialien, Anodenmaterialien und Elektrolyten vornehmen. Die Richtung von Festkörperbatterien, Silizium-Kohlenstoff-Anoden, ternären Materialien mit hohem Nickelgehalt und lithiumreichen Mangananoden wird als die von Unternehmen in den letzten Jahren entwickelte Haupttechnologieroute angesehen.

Lithiumreiche positive Elektrode auf Manganbasis: ideales Material mit geringem Edelmetallgehalt

Das technische Ziel der Einzelzelle besteht im Jahr 2025 darin, eine spezifische Energieeffizienz von 400 Wh / kg zu erreichen. Es ist ein Forschungs-Hotspot, das vorhandene defekte Kathodenmaterial zu entwickeln und durch ein neues Kathodenmaterial zu ersetzen, das effizienter und energiesparender ist. Unter den bekannten positiven Elektrodenmaterialien hat das lithiumreiche positive Elektrodenmaterial auf Manganbasis eine spezifische Entladungskapazität von 250 mAh / g oder mehr, was fast der doppelten tatsächlichen Kapazität des derzeit im Handel erhältlichen positiven Elektrodenmaterials entspricht; und das Material ist billigeres Mangan. Hauptsächlich ist der Edelmetallgehalt im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten ternären Kathiummaterialien aus lithiumkobaltoxid und Nickelkobaltmangan gering, nicht nur kostengünstig, sondern auch sicher. Daher gelten lithiumreiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis als ideale Materialien für lithium-ionen-batterien der nächsten Generation.

Wie lange dauert es, bis 500 Wh / kg erreicht sind? Überblick über die Entwicklungstrends der Lithiumbatteriematerialtechnologie

Viele Unternehmen, darunter Dangsheng Technology, Jiangte Electric und AVIC Lithium, forschen und entwickeln Lithium-reiche Kathodenmaterialien auf Manganbasis. Das Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat den Spannungsabfall des lithiumreichen positiven Elektrodenzyklus auf Manganbasis verbessert, das Ziel erreicht, die Spannungsdämpfung nach 100 Wochen auf weniger als 2% zu reduzieren, und erhebliche Fortschritte erzielt. Das Team der Peking-Universität entwickelte zunächst eine lithiumreiche positive Elektrode auf Manganbasis mit einer spezifischen Kapazität von 400 mAh / g, die das Ziel von 400 Wh / kg erreichen kann.

Gegenwärtig hat die vollständige Anwendung der lithiumreichen positiven Elektrode auf Manganbasis die technischen Probleme, den ersten irreversiblen Kapazitätsverlust zu verringern, die Ratenleistung und die Zykluslebensdauer zu verbessern und den Spannungsabfall des Zyklusprozesses zu unterdrücken.

Ternäres Material mit hohem Nickelgehalt: 2018 ist das erste Entwicklungsjahr

Laut der Ausgangspunktforschung wird die Produktion von Nickel-Kobalt-Mangan im Jahr 2018 47 GWh erreichen, was 32% mehr als im Vorjahr sein wird, während die Produktion von Lithium-Kobaltoxid nur 19 GWh betragen wird, nur 5% höher als im Vorjahr. Aufgrund der Kobaltknappheit und des steigenden Kobaltpreises fördern Batterieunternehmen aktiv den hohen Nickelgehalt ternärer Materialien und senken die Kobaltkosten in der Batterie. Der Kobaltgehalt von NCM811 beträgt nur 6,06%.

Nickel-Kobalt-Mangan-Materialien weisen eine hohe Energiedichte, eine stabile elektrochemische Leistung, eine hohe Kapazität und niedrige Kosten auf und werden in Zukunft schrittweise lithiumeisenphosphat und gewöhnliche ternäre Batterien ersetzen. Derzeit haben Dangsheng Technology, Shanshan, Betray und andere Unternehmen bereits die Massenproduktionsbedingungen von NCM811, und 2018 gilt als das erste Jahr der Entwicklung von ternärem Material mit hohem Nickelgehalt.

Festkörperbatterie: Festes Material ersetzt Membran und Elektrolyt

Alle Festkörperbatterien werden in Industrie und Wissenschaft als eine der Hauptrichtungen für die Batterieentwicklung im nächsten Schritt anerkannt.

Wie lange dauert es, bis 500 Wh / kg erreicht sind? Überblick über die Entwicklungstrends der Lithiumbatteriematerialtechnologie

Einerseits ist die Festkörperbatterietechnologie die einzige Möglichkeit, die Batterie zu miniaturisieren und zu verdünnen. Das Volumen der Membran und des Elektrolyten macht fast 40% des Batterievolumens aus. Wenn die Membran und der Elektrolyt durch feste Materialien ersetzt werden, kann der Abstand zwischen der positiven und der negativen Elektrode auf einige Mikrometer verkürzt und die Dicke der Batterie stark verringert werden.

Andererseits ist im Vergleich zur allgemeinen Lithiumbatterie die Energiedichte der Vollfestbatterie stark erhöht, die 300 bis 400 Wh / kg erreichen kann, während die Lithium-Ionen-Batterie im Allgemeinen 100 bis 220 Wh / kg beträgt. Hohe Sicherheit ist auch einer der wichtigsten Antriebsfaktoren für die Entwicklung von Festkörperbatterien. Unter Sicherheitsgesichtspunkten ist der herkömmliche Lithiumbatterie-Elektrolyt eine organische Flüssigkeit, die oxidiert und sich zersetzt, um bei hohen Temperaturen Gas zu erzeugen, das zur Verbrennung neigt und stark zunimmt. Unsicher, wenn der Elektrolyt durch ein festes Material ersetzt wird, wird die Batteriesicherheitsleistung erheblich verbessert.

Derzeit hat die vom Qingdao Energy Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Polymer-Festkörperbatterie eine Energiedichte von 300 Wh / kg. Die vom Ningbo Institute of Materials der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte anorganische feste Lithiumbatterie hat eine Energiedichte von 240 Wh / kg. Darüber hinaus kooperiert die Agentur mit Yanfeng Lithium Industry. Das Unternehmen plant die Massenproduktion im Jahr 2019. In der Branche haben führende Unternehmen wie Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi und Ningde Times in Forschung und Entwicklung sowie den Einsatz von Festkörperbatterien investiert.

Festkörperbatterien sind zweifellos eine der gängigen Technologierouten der Zukunft. Es gibt jedoch immer noch Probleme wie hohe Kosten, komplizierter Vorbereitungsprozess und unzureichende Reife. Die Leistung der Batterie ist insgesamt niedrig, der Innenwiderstand ist groß und der Spannungsabfall ist hoch, wenn mit hoher Geschwindigkeit entladen wird. Probleme wie schnelles Aufladen und Unwirklichkeit müssen ebenfalls gelöst werden. Es ist noch ein langer Weg, um eine groß angelegte Kommerzialisierung zu erreichen.

Negative Silizium-Kohlenstoff-Elektrode: Zwei oder drei Jahre werden einen Ausbruch einleiten

Siliziumkohlenstoffmaterial ist derzeit das kommerziellste neue Anodenmaterial mit hoher Energiedichte. SPIR geht davon aus, dass die Silizium-Kohlenstoff-Materialindustrie in der zweiten Hälfte des Jahres 2018 und auch in den nächsten zwei bis drei Jahren mit der groß angelegten Phase von Lithiumbatterieanodenmaterialien konfrontiert sein wird. Es wird mit Sicherheit einen großen Ausbruch einleiten, und die Branche hat breite Perspektiven.

Wie lange dauert es, bis 500 Wh / kg erreicht sind? Überblick über die Entwicklungstrends der Lithiumbatteriematerialtechnologie

Die ultrahohe theoretische Energiedichte von Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen kann die monomerspezifische Kapazität erheblich erhöhen und hat die Vorteile einer geringen Deinterkalationslithiumspannung und Umweltfreundlichkeit. Es gilt als ideales Anodenmaterial für den Ersatz von Graphit in der nächsten Generation. Mit der Entwicklung neuer Energiefahrzeuge stellt die spezifische Energie von power-batterien immer höhere Anforderungen, und Graphit wird künftig schrittweise durch Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien ersetzt.

Ab Dezember 2017 erweitern die acht größten Anodenmaterialunternehmen in China ihre Produktionskapazität für Silizium-Kohlenstoff-Materialien im Wesentlichen, und viele neue Marktteilnehmer in verschiedenen Branchen sind an der Gestaltung von Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien beteiligt. Die neue Kapazität wird 2018-2019 sein. BYD, Ningde Times, Guoxuan Hi-Tech, Betray, Shanshan, lishen, BAK, Wanxiang usw. haben das Layout von Silizium-Kohlenstoffanodenmaterialien eingeführt.

Obwohl die derzeitigen Silizium-Kohlenstoffanodenmaterialien immer noch Probleme wie hohe Kosten, technische Schwierigkeiten und unvollständige unterstützende Industrien aufweisen, ist die Aussicht auf die Realisierung von Großanwendungen immer noch vielversprechend.

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