Analyse des Mechanismus und der Unterdrückung der Gasexpansion in Lithiumtitanat-Batterien

Die Lithiumtitanat-Raumgruppe gehört zu Fd3m. Die Spinellstruktur hat aufgrund ihres einzigartigen dreidimensionalen Lithiumionendiffusionskanals die Vorteile hervorragender Leistungseigenschaften und hoher und niedriger Temperaturleistung. Gleichzeitig kann die Lithiumtitanat-Kristallstruktur eine hochstabile Volumenänderung von weniger als 1% im Lithiumionen-Einbettungszyklus aufrechterhalten, was die Grundlage dafür bildet, dass Lithiumtitanat ein wichtiges negatives Elektrodenmaterial wird.

Die Raumgruppe Lithiumtitanat (Li4 Ti5O12, allgemein bekannt als LTO) gehört zu Fd3m. Die Spinellstruktur hat aufgrund ihres einzigartigen dreidimensionalen Lithiumionendiffusionskanals die Vorteile ausgezeichneter Leistungseigenschaften und hoher und niedriger Temperaturleistung. Gleichzeitig kann die Lithiumtitanat-Kristallstruktur eine hochstabile Volumenänderung von weniger als 1% im Lithiumionen-Einbettungszyklus aufrechterhalten, was die Grundlage dafür bildet, dass Lithiumtitanat ein wichtiges negatives Elektrodenmaterial wird.

Noch wichtiger ist, dass es die Sicherheitsrisiken von Batterien beseitigt und als das sicherste negative Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien bezeichnet wird. Die physikalische Struktur von Lithiumtitanat eignet sich als negatives Elektrodenmaterial für Lithiumbatterien. Welche elektrochemischen Eigenschaften hat es? Im Vergleich zu kohlenstoffnegativen Materialien hat Lithiumtitanat ein hohes Potential von 1,55 V gegenüber Li + / Li, eine theoretische Kapazität von 175 mAh / g, eine Leerlaufspannung von 2,4 V und eine Plattform mit niedriger Energiedichte und Spannung.

Analyse des Gasexpansionsmechanismus und der Hemmung in Lithiumtitanatbatterien

Lithiumtitanat-Batterien bieten die Vorteile einer hohen Sicherheit, eines hohen Ladevorgangs und einer langen Lebensdauer. Wenn jedoch Lithiumtitanat als negative Elektrode verwendet wird, hat die Batterie während des Lade- und Entladezyklus eine starke Gasexpansion und ist bei hohen Temperaturen noch schwerwiegender. Obwohl die Untersuchung der Gasexpansion von Lithiumtitanatbatterien, einschließlich der Modifizierung der Kohlenstoffbeschichtung, des Hybrids, des Nanometers usw., nie aufgehört hat, ist das Problem der Gasexpansion noch nicht vollständig gelöst, was die Marktförderung von Lithiumtitanatbatterien behindert.

Blähungsmechanismus der Lithiumtitanat-Batterie

Die akademische Gemeinschaft ist der Ansicht, dass der Grund, warum Lithiumtitanat / NCM-Batterien schwerwiegender sind als Graphit-NCM, darin besteht, dass Lithiumtitanat auf seiner Oberfläche keine SEI-Membran wie eine Batterie mit negativem Graphitsystem bilden kann, wodurch die Reaktion mit dem Elektrolyten gehemmt wird. Während des Lade- und Entladevorgangs steht der Elektrolyt immer in direktem Kontakt mit der Oberfläche von Li4 Ti5O12, was zu einer kontinuierlichen Reduktion und Zersetzung des Elektrolyten auf der Oberfläche des Li4 Ti5O12-Materials führt, was die Hauptursache für die Gasexpansion sein kann der Li4 Ti5O12 Batterie.

Die Hauptkomponenten des Gases sind H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 und so weiter. Wenn Lithiumtitanat allein in den Elektrolyten eingetaucht wird, entsteht nur CO2. Nachdem es zu einer Batterie mit einem NCM-Material verarbeitet wurde, enthält das resultierende Gas H2, CO2, CO und eine kleine Menge gasförmiger Kohlenwasserstoffe und wird als Batterie verwendet. H2 wird nur beim Zirkulieren und Entladen erzeugt, und der Gehalt an H2 im gleichzeitig erzeugten Gas übersteigt 50%. Dies zeigt an, dass während des Lade- und Entladevorgangs H2- und CO-Gase erzeugt werden.

LiPF6 hat im Elektrolyten das folgende Gleichgewicht:

PF5 ist eine starke Säure, die leicht die Zersetzung von Carbonaten verursacht, und die Menge an PF5 nimmt mit zunehmender Temperatur zu. PF5 hilft dem Elektrolyten, sich unter Bildung von CO2-, CO- und CxHy-Gasen zu zersetzen. Gemäß einschlägigen Studien wird H2 aus Spurenwasser im Elektrolyten hergestellt, aber der Wassergehalt im Elektrolyten beträgt im Allgemeinen 20 & amp; Mal; Um 10 - 6 ist der Beitrag zur H2-Produktion sehr gering. Wukai von der Shanghai Jiaotong University verwendete im Experiment Graphit / NCM111 als Batterie. Die Schlussfolgerung war, dass die Quelle von H2 die Zersetzung von Carbonaten unter Gaodianya war.

Unterdrückung der Flatulenz der Lithiumtitanat-Batterie

Derzeit gibt es drei Hauptlösungen, um die Gasexpansion in Lithiumtitanat-Batterien zu hemmen. Die erste ist die Verarbeitungsmodifikation von LTO-negativen Elektrodenmaterialien, einschließlich verbesserter Herstellungsverfahren und Oberflächenmodifikation. Zweitens entwickeln Sie Elektrolyte, die mit der negativen Elektrode von LTO übereinstimmen, einschließlich Additiven und Lösungsmittelsystemen. Drittens die Batterietechnologie verbessern.

(1) Verbessern Sie die Reinheit der Rohstoffe und vermeiden Sie das Einbringen von Verunreinigungen in den Herstellungsprozess. Verunreinigungspartikel katalysieren nicht nur die Klassifizierung von Elektrolyten zur Erzeugung von Gas, sondern verringern auch die Leistung, die Lebensdauer und die Sicherheit von Lithiumbatterien erheblich. Daher muss die Einführung von Verunreinigungen in Batterien so weit wie möglich reduziert werden.

(2) Die Oberfläche von Lithiumtitanat ist mit Kohlenstoffnanopartikeln bedeckt. Der offensichtliche Grund für die Bildung von Gas durch den LTO mit negativem Pol ist, dass sich die SEI-Membran langsam und weniger bildet, was zu dem Phänomen der Flatulenz mit ihrer Lebensdauer führt. Die Studie ergab, dass die Bildung einer Isolationsschicht zwischen der Grenzfläche zwischen Lithiumtitanat und Elektrolyten (wie der Aufbau einer Nanokohlenstoffbeschichtung auf der Oberfläche von Lithiumtitanat (LTO / C), der Festelektrolytgrenzfläche (SEI) auf der Die Co-Coating-Schicht reduziert einerseits die Kontaktfläche des LTO-Materials mit dem Elektrolyten und verhindert die Erzeugung von Gas.

Andererseits kann Kohlenstoff selbst eine SEI-Membran erzeugen, um den Mangel an LTO auszugleichen, aber auch die Leitfähigkeit von LTO-Materialien verbessern. Die obigen Forschungsergebnisse sind von großer Bedeutung, um das Gasproduktionsverhalten von Lithiumtitanat-Batterien zu lösen und das Design und die großtechnische Anwendung und Entwicklung von Hochenergie-Lithiumtitanat-Kraftzellen zu fördern.

(3) Verbesserung der Funktionalität von Elektrolyten. Für die Entwicklung neuer Elektrolyte verwenden viele Patente Additive, um die Bildung dichter SEI-Membranen auf der Oberfläche von LTO zu fördern und das Auftreten von Nebenreaktionen an der Grenzfläche zwischen LTO und Elektrolyt zu hemmen. Bestimmte Elektrolytadditive wie fluorierte Carbonate und Phosphate tragen zur Bildung stabiler SEI-Membranen auf positiven Oberflächen bei, wodurch die Auflösung von Metallionen auf positiven Oberflächen verringert und dadurch die Gasproduktion verringert wird.

Membranbildende Additive können auch die Menge des erzeugten Gases hemmen. Die zugesetzten Membranadditive sind Lithiumboratsalz, Dingerjing oder Adienitril, R-CO-CH = N2-Strukturverbindungen (wobei R ein Alkyl oder Phenyl von C1 bis C8 ist), cyclisch Phosphatester, Phenylderivate, Phenylacetylenderivate, LiF-Additive usw. Diese filmbildenden Additive begünstigen die Bildung von SEI-Membranen auf der Oberfläche von LTO, was das Auftreten von Blähungen in gewissem Maße hemmt.

(4) Positive polare Oberflächenbeschichtung. Das Abdecken einer stabilen Verbindung auf einer positiven Oberfläche wie Aluminiumoxid kann die Auflösung von Metallionen wirksam hemmen. Die überkomplizierte Beschichtung hemmt jedoch das Einbetten von Lithiumionen und beeinflusst die elektrochemischen Eigenschaften der Materialien.

(5) Verbessern Sie den Batterieproduktionsprozess. Batterieproduktion, um die Umgebungsfeuchtigkeit zu kontrollieren, Betrieb Prozesswassereinleitung. Aus dem Grund, warum das Gas erzeugt wird, ist ersichtlich, dass das Wasser in der Luft mit dem positiven Material unter Bildung von Lithiumcarbonat reagiert und die Elektrolytzersetzung beschleunigt, um Kohlendioxid zu erzeugen. Darüber hinaus hat das Lithiumtitanat-Material selbst eine starke Wasseraufnahme (die in einer Trockenkammer betrieben werden muss). Nachdem die negative Elektrode Wasser absorbiert hat, reagiert sie mit dem PF5, das durch die reversible Zersetzung des Elektrolyten erzeugt wird, um H2 zu erzeugen. Daher ist eine strikte Wasserkontrolle unerlässlich.

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