Analyse der aktuellen Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien

1, was ist die derzeit bekannteste Entwicklungslinie der Branche für Lithiumstrom?

Durch die unermüdlichen Bemühungen von Forschungs- und Entwicklungspersonal und Ingenieuren, von Blei-Säure-Batterien, Nickel-Metallhydrid-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien bis hin zu Lithium-Eisen-Phosphat-Batterien und jetzt den gängigen Drei-Yuan-Batterien, jedes Mal, wenn die Beförderung stattfindet Erzeugung von Anstrengungen. Basierend auf der Verbesserung der Sicherheit, Energiedichte und Leistung von Lithium-Ionen-Batterien und der Kombination mit dem aktuellen Stand der Batterieentwicklung wird ein zukünftiger Entwicklungsweg für Lithium-Ionen-Batterien zusammengefasst.

Im Jahr 2020 handelt es sich um eine Multikationenelektrode, hauptsächlich NCM- und NCA-Verbundkathodenmaterialien, und die negative Elektrode besteht hauptsächlich aus C- und einigen Siliziumkohlenstoffkomplexen. Die Energiedichte beträgt ca. 300-350 WH / kg.

Von 2020 bis 2025 wird es von rein festen Lithium-Ionen-Batterien sowie Lithium-Metall-Negativpolen oder Silizium-Kohlenstoff-Negativpolen dominiert. Die Energiedichte beträgt 400 Wh / kg, während Natriumionenbatterien entwickelt werden. Natrium ist billiger als Lithium, aber es ist größer als Lithiumionen und hat ein flüssiges Gedächtnis.

Nach 2025 werden hauptsächlich Lithium-Schwefel-Batterien verwendet - & GT; Lithium-Metall-Batterien- & GT; & GT; Lithium-Luft-Batterien werden hauptsächlich entwickelt. Solche Batterien haben eine höhere Energiedichte und die Erwünschtheit von Materialien wird immer bequemer. Derzeit gibt es jedoch mehr Schwierigkeiten, und es ist notwendig, diese weiter zu überwinden. Lithium-Schwefel-Batterien verwenden Schwefel als positive Elektrode der Batterie. Lithium als negative Lithiumbatterie. Der elementare Schwefel ist reich an Reserven auf der Erde und hat die Eigenschaften eines niedrigen Preises und einer freundlichen Umwelt. Lithium-Schwefel-Batterien, die Schwefel als positives Material verwenden, haben eine höhere Materialtheorie als Kapazität und Batterietheorie als Energie und erreichen 1675 mAh / g bzw. 2600 Wh / kg, was viel höher ist als bei kommerziell weit verbreiteten ternären Batterien.

Und Schwefel ist ein umweltfreundliches Element. Grundsätzlich ist keine Umweltverschmutzung eine vielversprechende Lithiumbatterie. Lithiummetallbatterien, die Graphit durch Lithiummetallfolie ersetzen, können mehr Ionen enthalten. In der Regel reagiert Lithiummetallfolie jedoch negativ mit Elektrolyten und führt zu einer Überhitzung der Elektrolyte und sogar zu einer Verbrennung. Diese Technologie kann die aktuellen lithiumbatterien reduzieren. Die Größe wird um die Hälfte reduziert. Wenn das Batterievolumen unverändert bleibt, verdoppelt sich theoretisch die Reichweite von Elektrofahrzeugen mit Lithiummetallbatterien. Lithium-Luft-Batterie ist eine Batterie, die Lithium als Anode und Luftsauerstoff als Kathodenreaktant verwendet. Lithium-Luft-Batterien haben eine höhere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien, da ihre Kathode (hauptsächlich poröser Kohlenstoff) sehr leicht ist und Sauerstoff aus der Umgebung gewonnen wird, ohne in der Batterie gespeichert zu werden. Theoretisch ist Sauerstoff als Kathodenreaktant nicht beschränkt. Die Kapazität der Batterie hängt nur von der Lithiumelektrode ab und ihre spezifische Energie beträgt 5,21 kWh / kg (einschließlich Sauerstoffqualität) oder 11,4 kWh / kg (ohne Sauerstoff).

2, was sind die Grundanforderungen an Energieträger?

(1) Die relative Masse der Atome ist gering;

(2) Die Fähigkeit, Elektronen zu gewinnen und zu verlieren, ist stark;

(3) Der Anteil der elektronischen Überweisung sollte hoch sein.

3, was sind die Hauptindikatoren für Batterien?

(1) Kapazität;

(2) Energiedichte;

(3) Lade- und Entladeverhältnis;

(4) Spannung;

(5) Lebenserwartung;

(6) Innenwiderstand;

(7) Selbstentladung;

(8) Betriebstemperaturbereich.

4, Was sind die Eigenschaften von positiven Materialien (LFP, NCM, LiCo usw.)?

(1) Höheres Redoxreaktionspotential, hohe Ausgangsspannung;

(2) hoher Lithiumgehalt und hohe Energiedichte;

(3) Strukturstabilität bei chemischen Reaktionen;

(4) hohe Leitfähigkeit;

(5) gute chemische Stabilität und thermische Stabilität, nicht leicht zu zersetzen und zu reagieren;

(6) günstige Preise;

(7) Der Produktionsprozess ist relativ einfach und für die Produktion in großem Maßstab geeignet.

(8) Umweltfreundlich und umweltfreundlich.

5, was sind die Eigenschaften von negativen Materialien (Li, C, AL, Lithiumtitanat usw.)?

(1) Schichtstrukturen oder Tunnelstrukturen, die das Einbetten erleichtern;

(2) stabile Struktur, gute Reversibilität von Ladung und Entladung und zyklische Leistung;

(3) so viele Lithiumionen wie möglich werden eingefügt und eingebettet;

(4) niedriges Redoxpotential;

(5) Die erste irreversible Entladekapazität ist gering;

(6) Gute Verträglichkeit mit Elektrolytlösungsmitteln;

(7) Niedriger Preis und einfacher Zugang zu Materialien;

(8) gute Sicherheit;

(9) Die Umwelt ist freundlich.

6. Wie kann die Batterieenergiedichte erhöht werden?

(1) Erhöhung des Anteils positiver und negativer Wirkstoffe;

(2) Erhöhen Sie die spezifische Kapazität (in Gramm) von positiven und negativen polaren Materialien;

(3) Abnehmen und abnehmen.

7, wie kann das Lade- und Entladeverhältnis von Lithium-Ionen-Batterien verbessert werden?

(1) Verbesserung der Lithiumionendiffusionsfähigkeit der positiven und negativen Pole;

(2) Verbesserung der Ionenleitfähigkeit von Elektrolyten;

(3) Der reduzierte Innenwiderstand der Batterie (ohmscher Innenwiderstand und Polarisationsinnenwiderstand).

8. Welche Faktoren beeinflussen die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien?

(1) negative Metalllithiumabscheidung;

(2) Zersetzung von positiven polaren Materialien;

(3) Bildung und Wiederverbrauch von SEI;

(4) Der Einfluss von Elektrolyten manifestiert sich hauptsächlich in: der Gesamtmenge wird verringert, Verunreinigungen sind vorhanden und Wasser infiltriert;

(5) Verstopfung oder Zerstörung des Zwerchfells;

(6) Die positiven und negativen Materialien fallen ab;

(7) Externe Nutzungsfaktoren.

9, die interne Materialreaktion Zersetzungstemperatur von Lithium-Ionen-Batterien?

(1) SEI-Membranzersetzung, exotherme Elektrolytreaktion, 130 ° C;

(2) Elektrolytzersetzung, Wärmeerzeugung, 130 ° C - 250 ° C;

(3) Eine positive Materialzersetzung erzeugt eine große Menge an Gas und Sauerstoff, 180 ° C - 500 ° C;

(4) Die Reaktion von Bindemitteln und negativ polaren Wirkstoffen, 240 ° C - 290 ° C.

Im Allgemeinen aufgrund von Überladung, Hochleistungsentladung, internem Kurzschluss, externem Kurzschluss, Vibration, Kollision, Sturz, Aufprall usw., was einen Kurzschluss verursacht, ein Prozess, der eine große Menge an Wärme und Gas erzeugt.

Einige der vielversprechendsten Lithiumbatteriematerialien der Zukunft

(1) Negativelektrodenmaterial aus Silizium-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, hohe Energiedichte, Industrialisierung 400 WH / kg oder mehr, aber ernsthafte Volumenexpansion, schlechte Zirkulation;

(2) Lithiumtitanat, mehr als 10.000 Zyklen, Volumenänderung von 1%, keine Dendritenbildung, ausgezeichnete Stabilität, schnelle Aufladung, aber hoher Preis, niedrige Energiedichte, etwa 170 WH / kg;

(3) Graphen, das in Kathodenmaterialien und positiven Additiven verwendet werden kann, weist eine ausgezeichnete Leitfähigkeit, einen schnellen Ionentransfer, einen schlechten ersten Effekt, etwa 65%, eine schlechte Zirkulation und einen hohen Preis auf;

(4) Lithiumreiche Manganbatterien mit einer Energiedichte von etwa 900 Wh / kg sind reich an Rohstoffen, weisen jedoch geringe Primäreffekte, geringe Sicherheit, schlechte Zirkulation und geringe Vergrößerungsleistung auf.

(5) ternäre NCM-Materialien, im Allgemeinen mit 250 Wh / kg, mit einer Siliciumdioxid-Negativelektrode, etwa 350 Wh / kg;

(6) CNTs, Kohlenstoffnanoröhren, überlegene elektrische Leitfähigkeit, ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit;

(7) Beschichten der Membran, des Kellers + PVDF + Bomushi, Verbessern der Kontraktionsbeständigkeit der Membran, geringe Wärmeleitung, Verhindern, dass jegliche Wärme außer Kontrolle gerät;

(8) Hochspannungselektrolyt, dies versteht sich von selbst, mit der Energiedichte des Energiematerials steigt auch die Spannung entsprechend an;

(9) Bindemittel auf Wasserbasis für Umweltschutz und Gesundheit.

Prälithiation. Bevor wir darüber sprechen, lassen Sie uns über die ersten Auswirkungen von Halbbatterien (positiv polare Materialien, negative metallische Lithiumtabletten) und Vollbatterien sprechen.

Dies ist der erste Effekt der Lithium-Kobalt-Säure-Halbbatterie. Wenn Sie nicht verstehen, dass die gesamte Batterie und die halbe Batterie nicht gleich sind, verstehen Sie, dass dies der erste Effekt von positivem Material ist.

Die erste Ladekapazität der Halbbatterie ist geringfügig höher als die erste Entladekapazität, dh Lithiumionen, die beim Laden vom positiven Pol gelöst werden und beim Entladen nicht zu 100% zum positiven Pol zurückkehren. Das erste Entladevolumen / die erste Ladekapazität ist der erste Wirkungsgrad dieser Halbbatterie.

Der erste Wirkungsgrad des Ternärs ist der niedrigste, im Allgemeinen 85 bis 88%; Lithiumkobaltsäure ist im Allgemeinen zweitens 94 ~ 96%; lithiumeisenphosphat ist etwas höher als Lithiumkobaltphosphat, das 95% bis 97% beträgt. Der erste Effekt des Kathodenmaterials ist hauptsächlich auf die Änderung der Struktur des Kathodenmaterials nach dem Einbetten zurückzuführen. Es gibt nicht genügend Lithiumplatzierung und Lithiumionen können bei der ersten Entladung nicht zurückkehren.

Der Unterschied zwischen einer Graphitbatterie-Halbbatterie und einem positiven Pol besteht darin, dass Graphit eine positive Elektrode und eine metallische Lithiumfolie eine negative Elektrode ist. Daher ist die erste Wirkung von Graphit signifikant geringer als die von positivem Material. Der Hauptgrund ist, dass Lithiumionen den Elektrolyten passieren. Der SEI-Film wird auf der Oberfläche von Graphit gebildet. Es verbraucht viel Lithiumionen. Die dem SEI-Film gewidmeten Lithiumionen können nicht zum negativen Pol zurückkehren.

Der erste Wirkungsgrad der gesamten Batterie, nachdem der Batterie Flüssigkeit injiziert wurde, muss den Prozess des Umwandelns (nur Laden) und Teilens der Kapazität (mit Laden und Entladen) durchlaufen. Im Allgemeinen ist der erste Schritt zum Umwandeln und Teilen der Kapazität der Ladevorgang. Die Summe der beiden Kapazitäten ist das erste Mal, dass die gesamte Batterie mit Kapazität gefüllt wird. Der zweite Schritt des Kapazitätsseparationsschritts besteht im Allgemeinen darin, aus dem vollen Zustand in die Luft zu entladen, so dass diese Schrittkapazität die Entladekapazität der vollen Batterie ist. Durch Kombination der beiden wird ein Algorithmus für den ersten Wirkungsgrad der gesamten Batterie erhalten:

Volle Batterie erster Wirkungsgrad = Kapazität Entladekapazität der zweiten Stufe / (umgerechnet in Füllkapazität + Kapazität Füllkapazität der ersten Stufe)

Um Abweichungen im täglichen Leben zu reduzieren, wird die zweite vollständige Entladekapazität als Batteriekapazität verwendet.

Zusammenfassend können wir eine Schlussfolgerung ziehen. Wenn das Batteriepositiv ein ternäres Material mit einem anfänglichen Wirkungsgrad von 88% verwendet, verwendet die negative Elektrode ein Graphitmaterial mit einem anfänglichen Wirkungsgrad von 92%. Für diese volle Batterie beträgt der erste Wirkungsgrad 88%, dh wenn der positive Poleffekt 88% und der negative Poleffekt 92% beträgt, beträgt der erste Effekt der vollen Batterie 88%, was dem unteren positiven entspricht Pole.

Neben der Wirkung von Batteriematerialien auf den ersten Effekt ist natürlich auch die spezifische Oberfläche von Elektrodenmaterialien ein wichtiger Faktor. Je größer die spezifische Oberfläche von Graphit ist, desto größer ist die gebildete SEI-Membran, desto mehr Lithiumionen müssen verbraucht werden und desto geringer ist der erste Effekt. Darüber hinaus hängt es auch mit der Umwandlung des akkus in ein Ladesystem zusammen, und das Ausfüllen des entsprechenden Ladezustands wirkt sich in gewissem Maße auch auf den ersten Effekt des akkus aus.

Bei einer vollen Batterie verbraucht der SEI-Film, der an der Grenzfläche der negativen Elektrode während der Bildung von gebildet wird, Lithiumionen, die von der positiven Elektrode deinterkaliert sind, und verringert die Kapazität der Batterie. Wenn wir eine Lithiumquelle von der Außenseite des positiven Elektrodenmaterials finden können, verbraucht die Bildung des SEI-Films das Lithiumion der externen Lithiumquelle, so dass das Lithiumion der Deinterkalation der positiven Elektrode nicht im Bildungsprozess verschwendet wird. und schließlich kann die volle Batterie verbessert werden. Kapazität. Dieser Prozess der Bereitstellung einer externen Lithiumquelle ist die Vorlithiierung.

Ich werde einen Artikel ausleihen, um Ihnen über die Hauptvorlithifizierungsmethode zu berichten, und ich habe nur eine gesehen, die eine negative Sprühlithiumpulvermethode ist.

1, negativer Pol in die Methode im Voraus

Wir können die negative Elektrode in eine negative Elektrode trennen und sie dann mit der positiven Elektrode zusammenbauen, nachdem die negative Elektrode die SEI-Membran gebildet hat. Dies kann den Verlust des Paares polarer Lithiumionen vermeiden und den ersten Wirkungsgrad und die Kapazität der gesamten Batterie erheblich erhöhen.

Negative Platten und Lithiumplatten werden in Elektrolyten eingeweicht und mit externen elektrischen Verbindungen aufgeladen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die zum Zeitpunkt der Umwandlung verbrauchten Lithiumionen eher von metallischen Lithiumplatten als von positiven Polen stammen. Nachdem die negative Elektrode fertig ist, wird sie mit der positiven Elektrode zusammengebaut. Der Kern muss nicht erneut umgewandelt werden, damit das Lithiumion des positiven Pols nicht durch die Bildung der negativen Elektrode in der SEI-Membran verloren geht und die Kapazität erheblich erhöht wird.

Der Vorteil dieses Vorlithifizierungsverfahrens besteht darin, dass es zu einem Prozess mit maximaler Simulation normalisiert werden kann, während sichergestellt wird, dass der Bildungseffekt der SEI-Membran dem der gesamten Batterie ähnlich ist. Die beiden Verfahren der frühen Umwandlung von negativen polaren Filmen und des Zusammenbaus von positiven und negativen polaren Filmen sind jedoch zu schwierig zu betreiben.

2, Negativelektroden-Sprüh-Lithium-Pulver-Verfahren

Da es schwierig ist, Lithium nur mit Negativelektrodentabletten zu betreiben, denken die Menschen an Lithium-Supplementierungsmethoden, bei denen Lithiumpulver direkt auf Negativelektrodentabletten gesprüht wird. Zunächst wird ein stabiles metallisches Lithiumpulverteilchen hergestellt. Die innere Schicht des Partikels ist metallisches Lithium, und die äußere Schicht ist eine Schutzschicht mit guter Lithiumionenleitfähigkeit und Elektronenleitfähigkeit. Während des Vorlithifizierungsprozesses wird das Lithiumpulver zuerst in einem organischen Lösungsmittel dispergiert, dann wird der dispergierte Körper auf eine negative Elektrode gesprüht und dann wird das restliche organische Lösungsmittel auf der negativen Elektrode getrocknet, so dass eine vorithithifizierte negative Elektrode erhalten wird. Nachfolgende Montagearbeiten entsprechen den normalen Prozessen.

Wenn es gebildet wird, wird Lithiumpulver, das auf die negative Elektrode gesprüht wird, bei der Bildung der SEI-Membran verbraucht, um die Retention von Lithiumionen, die von der positiven Elektrode entfernt wurden, zu maximieren und die Kapazität der gesamten Batterie zu erhöhen.

Der Nachteil dieser Vorlithifizierungsmethode besteht darin, dass die Sicherheit schwer zu gewährleisten ist und die Reform des Materials und der Ausrüstung teuer ist.

3, negatives Dreischichtelektrodenverfahren

Aufgrund der Einschränkungen von Geräten und Prozessen hat die kostenintensive Umwandlung für die Vorlithifizierung für Batterieanlagen keine Priorität. Wenn die Vorlithifizierung in Batterieanlagen auf bekannte Weise abgeschlossen werden kann, wird die Verallgemeinerung erheblich verbessert. Das unten beschriebene dreischichtige Elektrodenverfahren erleichtert den Betrieb einer Batteriefabrik. Der Kern des Dreischichtelektrodenverfahrens ist die Verarbeitung von Kupferfolie.

Im Vergleich zu normaler Kupferfolie ist die Kupferfolie des Dreischichtelektrodenverfahrens mit dem für die späte Umwandlung erforderlichen Metalllithiumpulver beschichtet. Um das Lithiumpulver vor einer Reaktion mit Luft zu schützen, wird eine Schicht der Schutzschicht aufgebracht; Der negative Pol ist direkt auf die Schutzschicht aufgetragen.

Wenn der Kern die Injektion abgeschlossen hat, löst sich die Schutzschicht im Elektrolyten auf, so dass das Metalllithium mit der negativen Elektrode in Kontakt kommt, und das zur Bildung der SEI-Membran verbrauchte Lithiumion wird durch das metallische Lithiumpulver ergänzt. Dieses Verfahren stellt keine strengen Anforderungen an die Verarbeitungsbedingungen der Batteriefabrik, aber die Stabilität der Schutzschicht in den Elektrodenaufnahme- und -entladewalzen, der Rollendruck, das Schneiden und andere Positionen sind eine große Herausforderung für die Entwicklung von Elektrodenmaterialien und der Metalllithiumpulver wird nach dem Verschwinden zu einem negativen Material. Die Gewährleistung der Haftung ist ebenfalls recht schwierig.

4, sehr Lithium-Material-Methode

Die kleinen Partner, die im Unternehmen arbeiten, müssen gelernt haben, dass es schwierig sein kann, selbst das, was unter Laborbedingungen funktioniert, in die Großproduktion des Unternehmens zu verlagern. Die Kosten für die Reform der Ausrüstung, die Kosten für den Masseneinsatz von Materialien und die Kosten für die Kontrolle der Verarbeitungsumgebung können zu tödlichen Verletzungen führen, die durch neue Technologien nicht gefördert werden können. Für die Lithium-Elektrotechnik war die Ausrüstung eine im Grunde ausgereifte Branche. Der vom Unternehmen bevorzugte Vorlithifizierungsplan wird sicherlich eine Möglichkeit sein, ohne viele Änderungen vor Ort direkt Werbung zu machen oder diese sogar zu übernehmen. Die Lithium-Material-Methode ist sehr umfangreich und erfüllt die Anforderungen der Batteriefabrik.

Die sogenannte positive Lithiummethode kann einfach als Material verstanden werden. Bei seiner Bildung ist die Anzahl der von ihrem positiven Pol freigesetzten Lithiumionen um ein Vielfaches höher als die Anzahl der Lithiumionen, die von dem derzeit verwendeten Material freigesetzt werden können. Wenn der negative Poleffekt geringer als der positive Pol ist, gehen zu viele Lithiumionen an den negativen Pol verloren, wenn dieser gebildet wird, was dazu führt, dass der effektive Raum des positiven Pols nach der Entladung nicht mit Lithiumionen gefüllt wird, was dazu führt die Verschwendung des positiven polaren Lithiumraums. Wenn der positiven Elektrode eine kleine Menge an lithiumreichem Material mit hohem Gramm zugesetzt wird, kann dies mehr Lithiumionen für die Bildung der SEI-Membran liefern. Es besteht kein Grund zur Sorge, dass lithiumreiche Materialien während der Entladung nicht wieder eingebettet werden können (da Lithiumionen, die von lithiumreichen Materialien bereitgestellt werden, bei ihrer Umwandlung vollständig verbraucht wurden).

Die verschiedenen oben beschriebenen Vorlithifizierungsverfahren zielen alle auf Vollzellenbatterien mit einem negativen ersten Effekt ab, der geringer als ein positiver ist. Nach der Vorlithifizierung mit voller Batterie kann der maximale Wirkungsgrad zum ersten Mal nur das Niveau einer Halbbatterie aus positivem Material erreichen. Bei Batterien mit geringeren positiven ersten Effekten ist das obige Verfahren grundsätzlich machtlos, da zu diesem Zeitpunkt der erste Effekt der gesamten Batterie durch die Tatsache begrenzt ist, dass nach dem positiven Laden nicht mehr genügend Platz für Lithium vorhanden ist. Selbst wenn Lithium von der Außenwelt gefüllt wird, kann es nicht in den positiven Pol eingebettet werden, so dass es keine Wirkung gibt.

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