Alle Festkörper-Lithiumbatterien

Gegenwärtig umfassen Batteriesysteme, die von chinesischen Automobilherstellern für neue Energie ausgewählt werden, hauptsächlich ternäre Materialien / Graphitsysteme, Lithiumeisenphosphat / Graphitsysteme und ternäre Batterien / Lithiumtitanatsysteme. Die repräsentativen Automobilunternehmen, die sich für Sanyuan-Batterien entscheiden, sind geely, chang 'an, baic, saic, jac usw. Die repräsentativen Automobilunternehmen, die sich für lithium-eisenphosphat-batterien entscheiden, sind byd, und die repräsentativen Automobilunternehmen von Sanyuan / Lithium-Titanat-Batterien sind zhuhai yinlong .

Im März 2017 haben das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie sowie die anderen vier Ministerien und Kommissionen gemeinsam den Aktionsplan zur Förderung der Entwicklung von Autobatterien veröffentlicht und darauf hingewiesen, dass bis 2020 die spezifische Energie des neuen Lithiumionen-Power-Shenchi-Monomers erforderlich ist 300 Wh / kg überschreiten. Die spezifische Energie des Systems soll 260 Wh / kg erreichen.

Gemessen an den Rohstoffen der drei Batterietypen ist die monomerspezifische Energie von mehr als 300 Wh / kg für Lithiumeisenphosphat- und Lithiumtitanatbatterien nicht erreichbar. Derzeit können nur ternäre Materialien solche Anforderungen erfüllen. Das Obige ist ein Vergleich von drei Lithiumbatteriematerialsystemen. Ternäre Batterien haben zwar eine höhere Energiedichte als andere Batterien, verwenden jedoch flüssigen Elektrolyten, was ein großes Sicherheitsrisiko darstellt. In der Industrie herrscht Konsens darüber, dass Festelektrolyte die Sicherheitsprobleme von Lithiumbatterien lösen können.

Festkörperbatterien sind kein neues Konzept, und Apple hat sie bereits 2012 patentiert. Festkörperbatterien sind Batterien mit Festkörperelektroden und Festkörperelektrolyten. Das Anodenmaterial der Festkörperbatterie unterscheidet sich nicht wesentlich von dem der Flüssigelektrolytbatterie, und das Anodenmaterial besteht hauptsächlich aus Lithiummetall, Lithiumlegierung oder Graphen. All diese Faktoren ergeben zusammen eine solide Lithium-Ionen-Batterie. Gegenwärtig kann eine Festkörper-Lithiumbatterie in eine anorganische Festkörperelektrolytbatterie und eine Polymer-Festkörperlithiumbatterie unterteilt werden. Die Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien hängt hauptsächlich von der Entwicklung von Festelektrolytmaterialien ab.

Festelektrolytmaterialien

Bei Festkörperbatterien ist die Auswahl geeigneter Festkörperelektrolytmaterialien der Kerninhalt des Batteriedesigns. Im Allgemeinen sind die Leistungsanforderungen für Elektrolyte wie folgt:

(1) Leitfähigkeit bei hoher Raumtemperatur;

(2) Elektronen können nicht passieren, Lithiumionen jedoch;

(3) elektrochemische Fensterbreite;

(4) gute Verträglichkeit mit Elektrodenmaterialien;

(5) gute thermische Stabilität, Feuchtigkeitsbeständigkeit, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften;

(6) leichte Verfügbarkeit von Rohstoffen, kostengünstige, einfache Synthesemethode.

Polymerelektrolyt

In Lithiumionenleitern auf Basis organischer Polymere "lösen" sich Lithiumionen in Form von Lithiumsalzen in der Polymermatrix. Die elektrische Leitfähigkeit ist der Schlüsselparameter zur Charakterisierung der Elektrolytqualität, und die Übertragungsrate wird hauptsächlich durch die Wechselwirkung mit dem Substrat und die Aktivität des Kettensegments beeinflusst. Die Verbesserung der Aktivität des Kettensegments trägt zur Verbesserung der Lithiumionenleitfähigkeit bei.

Derzeit ist der am besten untersuchte Polymerfestelektrolyt PEO (Polyethylenoxid) und sein Derivatkomplex Lithiumsalzpolymerelektrolyt. PEO-Polymere haben auch eine gute Ionenleitfähigkeit und gute Verarbeitungseigenschaften bei höheren Temperaturen. PEO-Polymerelektrolyte haben jedoch auch Probleme wie eine geringe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und eine schlechte Verträglichkeit mit einer Lithiummetallanode.

2. Anorganischer Festelektrolyt

Unter den anorganischen Festelektrolytmaterialien weist der früh entwickelte Halogenidelektrolyt eine geringe Leitfähigkeit auf. Diese früh entwickelten Materialien haben immer noch Probleme mit instabilen chemischen Eigenschaften und einer schwierigen Herstellung.

Sowohl der Sulfidelektrolyt als auch der Oxidelektrolyt enthalten Glas-, Keramik- und Glaskeramikmaterialien (Glaskeramik) in drei verschiedenen Kristallzuständen. Im Allgemeinen ist die Leitfähigkeit von Sulfiden aufgrund der schwachen Bindungswirkung von S auf Li im Vergleich zu O, die der Migration von Li + förderlich ist, häufig signifikant höher als die von Oxiden des gleichen Typs.

Der Oxidelektrolyt hat eine hohe Stabilität gegenüber Luft und Wärme, niedrige Rohstoffkosten und eine leicht zu realisierende Herstellung in großem Maßstab. In dem Oxidelektrolyten hat der amorphe (Glas) oxidelektrolyt eine niedrige Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und ist empfindlich gegenüber Wasserdampf in der Luft, so dass die Herstellung häufig ein Abschrecken bei hoher Temperatur erfordert, was in tatsächlichen Batterien schwierig zu verwenden ist.

Im Oxid leiten Lithiumionen eine Leitung in der Lücke der Gerüststruktur, die aus viel größeren O2- besteht, wodurch die Li-O-Wechselwirkung geschwächt wird, die dreidimensionale Transmission von Lithiumionen realisiert und das Verhältnis von Lithiumionen zu Leerstellenkonzentration in der Transmission optimiert wird Kanäle sind förderlich für die Verbesserung der Leitfähigkeit von Lithiumionen. Basierend auf diesen Ideen sind nacheinander einige Lithiumoxid-Leitermaterialien mit komplexen Strukturen entstanden, zu denen die repräsentativen das Granat-Struktursystem, das Perowskit-Struktursystem und das Natrium-Schnellionen-Leiterstruktur-System umfassen. Von diesen Materialien ist jedoch nur die Granatstruktur des Materialsystems gegenüber Lithiummetall stabil. Die Materialien mit hoher Leitfähigkeit in den beiden anderen Strukturen enthalten Ti, Ge und andere Elemente, die durch Lithiummetall reduziert werden können. Darüber hinaus weist das Granatstruktursystemmaterial eine gute Luftstabilität, niedrige Rohstoffkosten und eine hohe mechanische Festigkeit des Sinterkörpers auf, so dass es als idealer Festelektrolyt in Vollfeststoff-Lithiumbatterien weit verbreitet sein kann.

Ii. Zu lösende Probleme

Der Zweck des Einführens von Festelektrolyt in Lithiumbatterien besteht darin, die aktuellen Beschränkungen des organischen Elektrolyten zu überwinden und die Energiedichte, Leistungsdichte, den Betriebstemperaturbereich und die Sicherheit der Batterie zu verbessern. Um diese Ziele wirklich zu erreichen, müssen jedoch zunächst einige Probleme gelöst werden, die im vorhandenen Elektrolytmaterial selbst und an der Grenzfläche zur Elektrode vorhanden sind.

Zum Beispiel erfordert die Verbesserung der Energiedichte die Verwendung von Anodenmaterialien mit niedrigem Potential und hoher Kapazität sowie Anodenmaterialien mit hohem Potential und hoher Kapazität. In diesem Fall ist es oft schwierig, das elektrochemische Fenster mit begrenztem Polymer und Sulfid bei Hochspannung direkt anzuwenden. Die Verbesserung der Leistungsdichte erfordert die Verbesserung der Elektrolytleitfähigkeit, was immer noch ein großes Problem darstellt.

Drittens Zusammenfassung

Voll-lithium-batterien haben eine extrem hohe Sicherheit und ihr Festelektrolyt ist nicht brennbar, nicht korrosiv, nicht flüchtig und nicht flüssig. Gleichzeitig wird auch das Phänomen des Lithiumdendriten überwunden, und die Wahrscheinlichkeit einer Selbstentzündung eines mit einer Volllithiumbatterie ausgestatteten Automobils wird stark verringert. Die aktuelle Energiedichte einer Vollfeststoff-Lithiumbatterie beträgt etwa 400 Wh / kg, und das geschätzte maximale Potenzial beträgt 900 Wh / kg. Es sind jedoch noch einige Probleme bei der Verbesserung der Energiedichte und Leistungsdichte von Festkörperbatterien zu lösen, die von Festelektrolyt-, Anoden- und Kathodenmaterialien ausgehen müssen. Sobald diese Probleme effektiv gelöst werden können, wird sicherlich in Zukunft eine neue Batteriewende eingeleitet.

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