Sicherheit und Elektroden mit hoher Kapazität sind die Hauptprioritäten für Durchbrüche bei Lithiumbatterien

Gegenwärtig wird in der Industrie allgemein angenommen, dass das kurzfristige Ziel der Lithiumbatterietechnologie darin besteht, 300 Wh / kg durch einen ternären positiven Pol mit hohem Nickel- und einen negativen Pol aus Siliziumkohlenstoff zu erreichen. Mittelfristiges Ziel (2025) ist es, ein Monomer von 400 Wh / kg auf der Basis einer Lithium-Mangan-reichen / Hochleistungs-Si-C-Negativelektrode zu erreichen. In Zukunft werden Lithium-Schwefel- und Lithium-Leerbatterien entwickelt, um die monomerspezifische Energie von 500 Wh / kg zu erreichen.

In dem Artikel "Warum Lithiumschwefel / leere Lithiumbatterie nicht die Anwendungsperspektive einer Leistungsbatterie hat" hat Professor Ai Xinping von der Universität Wuhan die Machbarkeit kurzfristiger und mittelfristiger Ziele erkannt und die Gründe für Lithiumschwefel ausführlich erörtert / Lithium-Leer-Batterie hat nicht die Anwendungsperspektive einer Power-Batterie. Wo ist der Ausweg in "Innovation des Lithiumbatterie-Kernmaterials"? In diesem Artikel wird auch die Lösung der lithiumelektrischen Materialien der nächsten Generation diskutiert.

Tatsächlich weist die Entwicklung von Lithiumbatterien neben einigen Kernmaterialinnovationen viele technische Probleme auf. B. Batteriesicherheitsprobleme, Hochlastelektrodendesign-Technologie und so weiter.

1. Batteriesicherheit.

Im Jahr 2016 erfüllten die drei Einheiten, die die Entwicklung eines 300-Wh / kg-Batterieprojekts durchgeführt hatten, nicht die Bewertungsanforderungen für die Batteriesicherheit. Ob im Jahr 2020 300 Wh / kg Batterie in das Fahrzeug geladen werden kann, ist jedoch kein Leistungsproblem, sondern ein Sicherheitsproblem.

Unter diesen ist die Zersetzung und Exothermie der positiven Elektrode ein wichtiger Anreiz für das Durchgehen der Batteriewärme. Nehmen Sie als Beispiel drei Rohstoffe, unabhängig davon, ob es sich um einen hohen ternären oder einen allgemeinen ternären Nickelgehalt handelt. Ihre thermische Stabilität ist viel schlechter als die von lithiumeisenphosphat. Nicht nur die Wärmefreisetzung ist groß, sondern auch die Zersetzungstemperatur ist niedrig, was zu einer niedrigen Zersetzungstemperatur führt Unsere zukünftigen Probleme mit der Batteriesicherheit werden schwerwiegender sein. Natürlich, um das Problem der Sicherheit unter drei Gesichtspunkten zu lösen: Materialien, Monomer, System-Allround-Arbeit.

Ai xinping glaubt, dass aus der Sicherheit der gesamten Lösung das Material die Grundlage ist, welches Material welche Art von Sicherheit bestimmt; Monomere sind der Schlüssel, gut und schlecht werden durch Monomere bestimmt; Das System ist der Schutz, das Lithium-Ionen-Monomer hat ein thermisches Durchgehen und verursacht nicht alles andere.

Hier werden nur wenige Lösungen auf Monomerebene diskutiert.

Die erste Idee ist die Entwicklung einer Batterie-Selbsterregungs-Wärmeschutztechnologie.

Lithiumbatterien haben keine temperaturempfindlichen Eigenschaften und hohe Temperaturen können zu außer Kontrolle geratener Hitze führen. Befindet sich in der Batterie ein temperaturempfindliches Material, das die Übertragung von Elektronen und Ionen bei hohen Temperaturen effektiv unterbrechen kann, schaltet die Batterie ihre Reaktion unter missbräuchlichen Bedingungen automatisch ab, um einen weiteren Temperaturanstieg zu vermeiden.

Der einfachste Weg, dies zu tun, besteht darin, PTC-Materialien in Batterien zu verwenden, um eine Temperaturempfindlichkeit zu erreichen. PTC-Materialien werden in vielen Bereichen verwendet, jedoch nicht in Batterien. PTC-Materialien zeichnen sich durch eine gute Leitfähigkeit bei Raumtemperatur aus; Wenn eine bestimmte Übergangstemperatur erreicht ist, steigt der Widerstand von einem Leiter zu einem Isolator stark an, wodurch die Übertragung von Elektronen von der Elektrode unterbrochen wird.

Es wurde auch gefunden, dass einige leitfähige Polymere einen PTC-Effekt haben und löslich sind. Mit diesem Material können sehr dünne Beschichtungen hergestellt werden. Beispielsweise hat P3OT, ein Polymer, eine relativ hohe Leitfähigkeit bei 30 bis 80 Grad, ändert sich jedoch sofort um drei Größenordnungen bei 90 bis 110 Grad. Die Beschichtung ist kleiner als 1 Mikron und 600 Nanometer, was die Energiedichte der Batterie nicht beeinflusst. Das Material weist bei 120 Grad Wärmeschließeigenschaften auf, was die Sicherheit der Batterie unter Überladung, Hot Box, Akupunktur und anderen Bedingungen erheblich verbessert.

Darüber hinaus ist auch ein thermischer Verschluss der Membran eine praktikable Option. Die vorhandene dreilagige Membran hat eine thermische Abschaltfunktion. Die normale Membran, deren Obturatortemperatur durch den Schmelzpunkt von PE bestimmt wird, beträgt etwa 135 Grad. Die Schmelztemperatur wird durch den Schmelzpunkt von PP von etwa 165 Grad bestimmt. Da die Temperatur des Obturators zu hoch ist, führt die thermische Trägheit leicht dazu, dass die Batterietemperatur nach dem thermischen Schließen weiter auf 165 Grad ansteigt, was zum Schmelzen der Membran und zum Kurzschluss der Batterie führt. Daher ist die Wärmeschutzwirkung der herkömmlichen Membran begrenzt.

Wenn eine Schicht aus Kunststoff-Mikroporen auf die Oberfläche der Membran aufgebracht wird, schmilzt die Oberflächenmikrokugelschicht, wenn die Temperatur des Mikrokügelchenschmelzpunkts erreicht ist. Die Kugel schmolz und verstopfte das Loch in der Membran. Infolgedessen werden die Löcher auf der Oberfläche der Elektroden, denen die Mikrokugeln zugewandt sind, blockiert, was zu bemerkenswerten Ergebnissen führt. Wenn der Ionentransport unterbrochen wird, stoppt die Reaktion der Batterie und die Batterie ist sicher.

Die zweite Möglichkeit, das Sicherheitsproblem zu lösen, besteht in der Entwicklung von Festkörperbatterien.

In der Tat sind Festkörperbatterien hinsichtlich der Erhöhung der Energiedichte sehr vielversprechend. Mit zunehmender Batteriedichte wird die Volumenenergiedichte für Personenkraftwagen immer wichtiger. Nach den Rückmeldungen der 57. japanischen Batteriekonferenz forschen einige Forschungseinrichtungen in Südkorea und Japan an Festkörperbatterien, und einige große Batterieunternehmen wie ATL in China forschen ebenfalls auf diesem Gebiet.

Im Vergleich zu allen Feststoffen und Flüssigkeiten besteht der Hauptvorteil in der hohen Sicherheit. Ein weiteres Merkmal ist die Erzielung interner Reihen, die zur Verbesserung der Energiedichte von Modulen und Systemen beitragen. Die Grenzflächenspannung ist jedoch groß und die Stabilität schlecht. Festelektrolyt muss in vollem Kontakt mit aktiven Materialpartikeln sein, sonst kann die Übertragung von Lithiumionen nicht realisiert werden. Jedes Elektrodenmaterial, ob es sich um Graphit oder ternäres Material handelt, ändert jedoch sein Volumen während des Ladens und Entladens. Sobald die Fest / Fest-Trennung durch die Volumenänderung verursacht wird, wird die Leitung von Lithiumionen blockiert und die Batterieleistung nimmt schnell ab.

Eine der Prioritäten der gesamten Entwicklung von Festbatterien ist daher die Wahl von Festelektrolyten. Zweitens, Festkörper / Feststoff-Grenzflächenkonstruktionstechnologie und Stabilisierungstechnologie, gibt es einen Trick: Wenn der reine Festelektrolyt dies nicht kann, ist der beste Weg ein anorganischer und polymerer Hybrid. Drittens die Entwicklung von Produktionstechnologie und Spezialausrüstung. Festkörperbatterien werden sicherlich nicht so hergestellt wie heute.

2. Designtechnologie der Hochlastelektrode.

Mit zunehmender Energiedichte wird das Problem des Elektrodendesigns ernster. Der Anteil an aktiven Materialien in der Batterie ist ein wichtiger Faktor, der die spezifische Energie der Batterie beeinflusst. Die gleichen positiven und negativen Materialien, die gleiche Grammkapazität, wenn eine Batterie einen relativ kleinen Anteil an der Masse des aktiven Materials hat, ist die Batterieenergiedichte gering. Um die Energiedichte zu erhöhen, füllen Sie so viele aktive Materialien wie möglich mit dem gleichen Gewicht der Batterie. Aktivere Materialien müssen Hilfsmaterialien sein, Kupferfolie zum Reduzieren, Aluminiumfolie zum Reduzieren; In der Tat ist es am wichtigsten, die Elektrode dick zu machen, eine dicke Elektrode, eine Flüssigkeitssammlung und die Menge an Membran wird ebenfalls reduziert.

Die Lithiumionenelektrode kann jedoch nicht dick gemacht werden, und nach der Dicke wird die Polarisation der Elektrodenoberfläche größer, und die Nutzungsrate der Elektrode in Richtung der Dicke wird verringert, und es werden Probleme wie die Lithiumtrennung von verursacht die negative Elektrode und die Zersetzung der positiven Elektrode beim Ladevorgang. In Bezug auf die Erhöhung der Energiedichte gilt: Je dicker, desto besser. Die Polarisationstheorie sagt uns jedoch, dass je dünner desto besser. Mit zunehmender Energiedichte, beispielsweise einem Monomer von 100 Wh / kg, wird es nun 300 Wh / kg, was bedeutet, dass der vom Material pro Gewichtseinheit getragene Strom synchron zunimmt. Daher ist es sehr schwierig, die Leistung für zukünftige Batterien mit hoher Energiedichte aufrechtzuerhalten, so dass die Elektrodendesign-Technologie mit hoher Last immer wichtiger wird.

Es gibt Möglichkeiten, diesen Widerspruch zu lösen. Je näher Sie der Membran kommen, desto größer ist der Flüssigkeitsstrom und dieser Strom ist der externe Strom. Entlang der Richtung der Plattendicke nimmt der Flüssigphasenstrom langsam ab und der Festphasenstrom steigt allmählich an. Je näher an der Membranelektrode liegt, desto höher sollte die Porosität sein, und desto näher an der polaren Flüssigkeit der Elektrode kann die Porosität der Elektrode sein. Um sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine hohe Leistung zu gewährleisten, müssen wir daher eine Elektrode mit Gradientenporenverteilung entwerfen. Mit der Anwendung neuer Materialien und der Verbesserung der Batterieenergiedichte wird das Design der Gradientenporositätselektrode immer wichtiger. Was den Gradienten betrifft, inwieweit es nicht durch Versuch und Irrtum, Versuch und Irrtum sehr schwierig ist, ein Polarisationsmodell zu erstellen.

Zum Schluss die Zusammenfassung von Professor Ai Xinping von der Wuhan University:

1) Lithium-Ionen-Batterien stehen nach wie vor im Mittelpunkt der Entwicklung von Leistungsbatterien, die die Probleme der Coulomb-Effizienz bei niedrigen Zyklen der negativen Siliziumelektrode und der Spannungsdämpfung der Lithium-Mangan-reichen Basis lösen können, und es wird erwartet, dass sie fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterien mit spezifischen Eigenschaften entwickeln Energie über 400wh / kg.

2) Auf lange Sicht sind innovative Lithium-Ionen-Batterien praktikabler als Lithium-Schwefel und Lithium-Luft. Die Entwicklung einer lithiumreichen Anode mit hoher Kapazität auf der Grundlage eines anionischen Ladungskompensationsmechanismus kann Leistungsbatterien mit einer spezifischen Energie von mehr als 500 Wh / kg entwickeln.

3) Sicherheit bestimmt die Aussicht auf eine hochspezifische Batterieladeanwendung. Die Entwicklung der Spontanwärmesteuerungstechnologie und der Festkörperbatterie ist eine praktikable Lösung, die intensiviert werden muss.

4) Hochlastelektrode ist die Basis, um die hohe spezifische Energie der Batterie zu realisieren. Entsprechend dem neuen Polarisationsende spielt die Entwicklung einer Gradientenporositätselektrode eine wichtige Rolle und Bedeutung für die Entwicklung einer hochspezifischen energiebatterie.

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