Analyse von Schlüsselmaterialien für vollfeste Lithium-Ionen-Batterien

Es wird erwartet, dass alle Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien, die den herkömmlichen organischen flüssigen Elektrolyten und Festelektrolyten ersetzen, grundlegend gelöste Probleme bei der Batteriesicherheit lösen. Sie sind die idealen Elektroautos mit chemischer Energie und ein Energiespeicher in großem Maßstab.

Der Schlüssel der Festkörperbatterietechnologie umfasst hauptsächlich die Herstellung einer Leitfähigkeit und elektrochemischen Stabilität des Festelektrolyten bei hoher Raumtemperatur und die Verwendung der gesamten Energie von Festkörperlithiumionenbatterie-Elektrodenmaterialien sowie die Verbesserung der Verträglichkeit der Grenzfläche zwischen Elektrode und Festelektrolyt.

Alle Festkörper-Lithium-Ionen-Batteriestrukturen einschließlich Anode, Elektrolyt und Kathode bestehen alle aus festen Materialien. Im Vergleich zum herkömmlichen Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien ergeben sich folgende Vorteile:

1) beseitigt vollständig die Elektrolytkorrosion und das Austreten sicherer versteckter Probleme, höhere thermische Stabilität;

(2) Sie müssen nicht eingekapselt sein, die serielle Stapelanordnung und die bipolare Struktur unterstützen und die Produktionseffizienz verbessern.

(3) Infolge der Festelektrolyt-Festkörpermerkmale können mehrere Elektroden überlagert werden;

(4) Die Fensterbreite der elektrochemischen Stabilität bis zu 5 V (oben) kann mit den Hochspannungselektrodenmaterialien übereinstimmen;

(5) Festelektrolyt sind im Allgemeinen Einzelionenleiter, fast keine Nebenwirkungen, längere Lebensdauer.

Festelektrolyt

Polymer-Festelektrolyt

Polymer-Festelektrolyt (SPE) durch das Polymersubstrat (wie Polyester, Enzym und Polyamin usw.) und Lithium (z. B. LiClO4, LiPF6, LiBF4 usw.), aufgrund seines Leichteren, der Viskoelastizität von hoher Qualität und gut Leistungsmerkmale wie mechanische Bearbeitung und hat die breite Aufmerksamkeit erhalten.

Bisherige Entwicklung umfasst die übliche SPE Polyethylenoxid (PEO), Polyacrylnitril (PAN), Poly (vinylidenfluorid) (PVDF), Polymethylmethacrylat (PMMA), Poly (propylenoxid (PPO), Poly (vinylidenchlorid (PVDC) und Einzelionenpolymerelektrolyt und anderes System.

Derzeit ist noch der Hauptstrom der SPE-Matrix erstmals vom PEO und seinen Derivaten vorgeschlagen worden, vor allem dank des PEO ist metallisches Lithium stabil und kann besser aus Lithiumsalz gelöst werden.

Aufgrund des festen Polymerelektrolytionentransports, der hauptsächlich im amorphen Bereich auftrat, und der Raumtemperatur ohne Modifikation ist die Kristallinität des PEO jedoch hoch, was zu einer geringeren Ionenleitfähigkeit führt und die große Stromladungs- und Entladekapazität ernsthaft beeinflusst.

Die Forscher verbessern die PEO-Ketten durch die Verwendung der Methode zur Verringerung der Kristallinität der Sportfähigkeit. Um die Leitfähigkeit des Systems zu verbessern, ist eine der einfachsten und effektivsten Methoden die Hybridverarbeitung mit anorganischen Polymermatrixpartikeln.

Weitere anorganische Füllstoffe, einschließlich aktueller Studien zum MgO-Stil, Al2O3, SiO2 von Metalloxid-Nanopartikeln und Zeolith, Montmorillonit usw., diese anorganischen Partikel stören die Matrix des Polymerkettensegments der Ordnung, verringern den Kristallinitätsgrad, das Polymer, das Lithiumsalz und Wechselwirkung zwischen den anorganischen Partikeln, um die Lithiumionentransportkanäle zu erhöhen, die Leitfähigkeit und die Ionenmigration zu verbessern. Anorganische Packungen können auch zur Adsorption von Spurenverunreinigungen im Elektrolytverbundwerkstoff (wie Wasser) führen und die Rolle der mechanischen Eigenschaften verbessern.

Um die Leistung weiter zu verbessern, haben Forscher eine neue Art der Packung entwickelt, unter anderem durch die ungesättigte Lokalisierung von Übergangsmetallionen und die Selbstorganisation organischer Verbindungsketten (starr), die Bildung von metallorganischen Gerüsten (MOF) aufgrund ihrer Porosität und hohe Stabilität.

Oxid-Festelektrolyt

Entsprechend der Oxid-Festelektrolyt-Materialstruktur kann in kristallinen Zustand und glasartigen Zustand (amorph) und amorphen Elektrolyten Perowskit und NASICON, LISICON und Granat unterteilt werden. Der Forschungsschwerpunkt im glasartigen Zustand-Oxidelektrolyt wird im Filmtyp Lipton verwendet, Elektrolyt in die Batterie.

Das Oxid und der amorphe Festelektrolyt

Die chemische Chemie von Oxiden und amorphen Festelektrolyten ist hoch, kann in atmosphärischer Umgebung stabil sein, Festkörperbatterien werden in großem Maßstab hergestellt. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und ihrer Kompatibilität mit Elektroden. Der Weg zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit ist hauptsächlich ein Elementdotierungselement und ein unterschiedlicher Preis. Darüber hinaus ist die Kompatibilität mit Elektroden auch das wichtige Problem ihrer Anwendung.

Elektrolyt vom Lipton-Typ

Im Jahr 1992, USA, Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in hochreiner Stickstoffatmosphäre durch RF-Magnetron-Sputtervorrichtung Sputtern Ziel Herstellung einer hochreinen Li3P04-Lithiumphosphat-Sauerstoff-Stickstoff (Lipton) -Elektrolytmembran.

Das Material hat eine ausgezeichnete Gesamtleistung, eine Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur von 2,3 × 10 –6 s / cm, ein elektrochemisches Fenster von 5,5 V (gegenüber Li / Li +), eine bessere thermische Stabilität und mit dem Positiv und Metall wie LiCoO 2, LiMn 2 O 4 Lithium, gute Verträglichkeit der Lithiumlegierungsanode usw. Die Ionenleitfähigkeit der Lipton- und Membranion hängt von der Größe des China-Afrikas und der Struktur des amorphen Dünnschichtmaterials ab, und der Anstieg des N, N-Gehalts kann die Ionenleitfähigkeit verbessern.

Es wird allgemein angenommen, dass Lipton der Standard aller Festkörper-Dünnschichtbatterie-Elektrolytmaterialien ist und die kommerzielle Anwendung hat.

Ein HF-Magnetron-Sputterverfahren mit großer Fläche und einer hellen Oberfläche und einem gleichmäßigen Dünnfilm kann hergestellt werden, gleichzeitig ist es jedoch schwieriger, die Abscheidungsrate kleiner Mängel zu kontrollieren, weshalb die Forscher versuchen, diese zu verwenden andere Verfahren zur Herstellung von Lipton, dünne Filme, wie gepulste Laserabscheidung, Elektronenstrahlverdampfung und ionenstrahlunterstützte vakuumthermische Verdampfung usw.

Zusätzlich zur Änderung der Herstellungsverfahren wurden das Element und das Verfahren zum teilweisen Ersetzen von Forschern auch zur Herstellung einer Vielzahl von hervorragenden Leistungen des amorphen Elektrolyten vom Lipton-Typ verwendet.

Amorpher Sulfid-Festelektrolyt

Ist der typischste sulforamorphe Festelektrolyt Thio - LISICON, von KANNO Professor an der Universität Tokio Industrie zuerst in Li2S - GeS2 - P2S, im System gefunden, die chemische Zusammensetzung von Li4 - xGe1 - xPxS4, Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur hoch bis 2,2 x 10 ~ 3 s / cm (x = 0,75), und die elektrische Leitfähigkeit kann vernachlässigt werden. Thio - chemische allgemeine Formel für Li4 LISICON - xGe1 - xPxS4 (Ge, Si usw., A = B = P, A1, Zink usw.).

Sulfidglas und glaskeramische Festelektrolyte

Der Elektrolyt im glasigen Zustand besteht aus P2S5, üblicherweise SiS2, B2S3, Netzwerkbildung und Netzwerkmodifikation von Li2S. Das System umfasst hauptsächlich Li2S - P2S5, Li2S SiS2, Li2S B2S3, einen breiten Zusammensetzungsbereich, eine hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit Stabilität, Sicherheitsleistung ist gut, breites elektrochemisches Stabilitätsfenster (mehr als 5 V), die Eigenschaften der Vorteile in Bezug auf Hochleistungs- und Hochtemperatur-Festkörperbatterien sind hervorragend, ist ein potentielles Festkörperbatterie-Elektrolytmaterial.

TATSUMISAGO, Universitätsprofessor der Präfektur Osaka in Japan, untersucht den Li2S-P2S5-Elektrolyten der Elektrolytleitfähigkeit verbessert.

Alle Festkörperbatterieelektrodenmaterialien

Obwohl eine feste Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterial nicht vorhanden ist, gibt es keine Nebenwirkungen bei der Zersetzung von Festelektrolyten, aber ein festes Merkmal macht die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt kompatibel. Die Grenzfläche wurde durch die Impedanz beeinflusst. Ein hoher Ionentransport führt zu einer geringen Zykluslebensdauer Die Leistung von Festkörperbatterien ist schlecht. Darüber hinaus kann die Energiedichte auch die Anforderungen großer Batterien nicht erfüllen. Die Untersuchung von Elektrodenmaterialien konzentriert sich hauptsächlich auf zwei Aspekte: Zum einen auf die Modifizierung von Elektrodenmaterialien und ihrer Grenzfläche, die Verbesserung der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt; Die zweite besteht darin, neues Elektrodenmaterial zu entwickeln, um die elektrochemischen Eigenschaften der Festkörperbatterien weiter zu verbessern.

Das Anodenmaterial

Festkörperbatterien, die positiv sind, nehmen im Allgemeinen die Verbundelektrode an, zusätzlich zu dem elektrodenaktiven Material enthält es auch einen Festelektrolyten und ein leitfähiges Mittel, die Elektrode beim Transport von Ionen und Elektronen. LiCoO2-, LiFePO4-, LiMn2O4-Oxidanode, die in Festkörperbatterien verwendet wird sind üblich.

Wenn der Elektrolyt Sulfid ist, zieht die Oxidanode aufgrund des großen chemischen Potentials viel stärker an als der Sulfidelektrolyt von Li + Li +, der in schlechtem Lithium viel zur Anode-Elektrolyt-Grenzfläche bewegt wird.

Wenn das positive Ionenleiteroxid verzweifelt auch die Raumladungsschicht bilden kann, aber wenn Sie ein extrem gemischter Leiter sind (wie LiCoO2 sowohl Ionenleiter als auch elektronischer Leiter ist), verschwindet die durch elektrisch leitendes Oxid verdünnte Li + -Konzentration die Raumladungsschicht Wenn sich der Sulfidelektrolyt von Li + wieder zur Anode bewegt, steigt der Elektrolyt der Raumladungsschicht weiter an, was zu einer sehr großen Grenzflächenimpedanz der Batterieleistung führt.

Zwischen Anode und Elektrolyt erhöht sich nur die ionenleitende Oxidschicht, kann die Erzeugung der Raumladungsschicht wirksam hemmen, die Grenzflächenimpedanz verringern. Darüber hinaus erhöht die Ionenleitfähigkeit das positive Material selbst, kann das Ziel der Optimierung der Batterieleistung erreichen, die Energiedichte verbessern.

Um die Energiedichte der Festkörperbatterien und die elektrochemischen Eigenschaften weiter zu verbessern, und Menschen in der positiven, aktiven Forschung und Entwicklung neuer Arten von Hochenergie umfassen hauptsächlich drei Yuan hohe Kapazität an Anodenmaterial und hohe 5-V-Spannung usw.

Ist ein typischer Vertreter des ternären Materials LiNi1 - x - yCoxMnyO2 (gleitend) und LiNi1 - x - yCoxA1yO2 (NCA), sind Schichtstruktur und hohe theoretische spezifische Kapazität.

Im Vergleich zum Spinell LiMn2O4 weist der 5-V-Spinell LiNi0,5 Mn1,5 m1 eine höhere Spannung (4,7 V) und eine höhere Leistung des Entladungsplattformverhältnisses auf und wird somit zum Kandidaten für die positiven Materialien der Festkörperbatterien.

Neben der Oxidanode ist die Sulfidkathode ein wichtiger Bestandteil von Batterie-Anodenmaterialien für Festkörperbatterien. Diese Art von Material weist im Allgemeinen eine hohe theoretische spezifische Kapazität auf, die um ein Vielfaches höher ist als die Oxidanode, selbst in einer Größenordnung, und passt gut zu Sulfidfeststoffen Elektrolyt mit elektrischer Leitfähigkeit aufgrund des chemischen Potentials verursacht keine schwerwiegenden Auswirkungen der Raumladungsschicht. Es wird erwartet, dass Festkörperbatterien eine hohe Kapazität und eine lange Lebensdauer von Festwochenanforderungen erreichen.

Sulfid jedoch die Anode mit Festelektrolytgrenzfläche gibt es immer noch Probleme wie schlechten Kontakt, hohe Impedanz, unfähig zu laden und zu entladen.

Anodenmaterialien

Li-Metall-Anodenmaterialien

Aufgrund seiner hohen Kapazität und geringen potenziellen Vorteile in Festkörperbatterien wird eines der Hauptanodenmaterialien, aber Li-Metall im Umlaufprozess wird die Herstellung von Lithiumdendrit sein, nicht nur zur Verfügung gestellt, um die Menge an Lithium zu reduzieren, die eingebettet ist / abheben, schwerwiegender ist, dass Sicherheitsprobleme wie Kurzschluss verursachen können.

Darüber hinaus ist das Metall Li sehr lebhaft, leicht mit Sauerstoff in Luft und Wasser usw. zu reagieren, und das Hochtemperaturmetall Li, das nicht in der Lage war, bringt die Batterie zusammen und bringt die Schwierigkeiten auf. Die Verbindung von Lithiummetall und Legierung ist eine der Hauptmethoden zur Lösung dieser Probleme. Das Legierungsmaterial hat normalerweise eine hohe theoretische Kapazität, und die Aktivität von metallischem Lithium, die durch die Beteiligung anderer Metalle verringert wird, kann die Produktion von Lithium wirksam steuern Dendrit und die elektrochemische Reaktion fördern somit die Grenzflächenstabilität. Lithiumlegierung ist die allgemeine Formel von LixM, M kann In, B, Al, Ga, Sn, Si, Ge, Pb, As, Bi, Sb, Cu, Ag, Zink usw. sein.

Lithiumlegierungsanode, es gibt jedoch einige offensichtliche Mängel, hauptsächlich ist die Elektrode im Prozess der Zirkulationsvolumenänderung groß, führt zu einer ernsthaften Elektrodenpulverisierung, die Zyklusleistung sank stark, gleichzeitig ist das Lithium immer noch ein Elektrodenaktives Material, so dass die entsprechenden Sicherheitsprobleme weiterhin bestehen.

Gegenwärtig können diese Probleme hauptsächlich durch die Synthese neuer Legierungsmaterialien, die Herstellung einer ultrafeinen Nanolegierung und eines Verbundlegierungssystems (wie aktiv / inaktiv, aktiv / sauberes Geschlecht, Kohlenstoffverbund und poröse Struktur) usw. verbessert werden.

Kohlenstoffanodenmaterialien

Die Kohlenstoffgruppe aus Material auf Kohlenstoff-, Silizium- und Zinnbasis ist eine weitere wichtige Gruppe aller Festkörperbatterieanodenmaterialien. Kohlenstoff ist ein typischer Vertreter von Graphitmaterialien, Graphitkohlenstoff eignet sich zum Einbetten von Lithiumionen und zum Entstehen einer Schichtstruktur, hat eine gute Plattform für die Spannungs-, Lade- und Entladungseffizienz von über 90%, die theoretische Kapazität ist jedoch gering (nur 372 mAh / g) ) ist eines der größten, diese Art von Material und die praktische Anwendung war die Grundlage der theoretischen Grenze, kann die Anforderungen einer hohen Energiedichte nicht erfüllen.

In jüngster Zeit kann Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, als eine neue Art von Kohlenstoff-Nanokohlenstoff-Materialien, wie sie auf dem Markt erhältlich sind, dazu führen, dass sich die Batteriekapazität auf das 2-3-fache erhöht.

Die Oxidanodenmaterialien

Hauptsächlich Metalloxid, Metallmatrix-Verbundoxid und andere Oxide einschließen. Typische Feuerwerkskörper ohne Anodenmaterialien sind: TiO2, MoO2, In2O3, Al2O3, Cu2O, VO2, SnOx, SiOx, Ga2O3, Sb2O5, BiO5 usw., dieses Oxid hat eine hohe theoretische spezifische Kapazität, aber beim Ersetzen von Metall aus Oxid, Eine große Anzahl von Li wird verbraucht, der enorme Kapazitätsverlust und die enorme Volumenänderung während des Zirkulationsprozesses, die den Ausfall der Batterie verursacht, durch Verbundwerkstoffe mit Kohlenstoffmaterialien können das Problem verbessern.

Schlussfolgerung: Derzeit wird am wahrscheinlichsten auf alle Festkörper-Lithiumionenbatterien der Festelektrolytmaterialien angewendet, einschließlich des PEO-Basispolymerelektrolyten, NASICON- und Granatoxidelektrolyten sowie des Sulfidelektrolyten.

In Bezug auf die Elektrode wurde zusätzlich zu der herkömmlichen Übergangsmetalloxidanode, Metalllithium- und Graphitanode eine Reihe von Hochleistungsanodenmaterialien entwickelt, einschließlich Sulfidanodenoxidanode, Hochspannung, hoher Kapazität und guter Stabilität des Verbundwerkstoffs Kathode usw.

Es ist jedoch noch ein Problem zu lösen:

1) Die Leitfähigkeit des Polymerelektrolyten auf PEO-Basis ist immer noch niedrig, was zu einem schlechten Batterieverhältnis und einer niedrigen Temperaturleistung führt. Außerdem muss noch eine schlechte Verträglichkeit mit neuen Polymerelektrolyten der Hochspannungsanode mit hoher Leitfähigkeit und Beständigkeit gegen hohen Druck entwickelt werden.

2) Um Festkörperbatterien mit langer Lebensdauer und hoher Energiespeicherung, dem neuen Typ von hoher Energie und hoher Stabilität, zu implementieren, ist es unerlässlich, Kathodenmaterialien, energiereiche Elektrodenmaterialien und die beste Kombination von Festkörpern zu entwickeln Elektrolyt und Sicherheit müssen bestätigt werden.

3) Festkörperbatterien in der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt von festen Festkörpern Es gab ein ernstes Problem, einschließlich Grenzflächenimpedanz, schlechter Stabilität, Änderungen der Grenzflächenspannung der Grenzfläche und direkten Einfluss auf die Leistung der Batterie.

Während es viele Probleme gibt, sind die Entwicklungsaussichten für Festkörperbatterien im Allgemeinen sehr positiv. Der Ersatz bestehender Lithium-Ionen-Batterien wird zum Mainstream in der zukünftigen Energiespeicher-Stromversorgung. Dies ist auch der Trend von The Times.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.