Diskussion und Analyse der Polymer-Lithium-Ionen-Batterietechnologie

1 Lithium-Ionen-Batteriestrukturmerkmale

Die positiven und negativen aktiven Materialien von Lithium-Ionen-Batterien sind eingebettete Verbindungen. Li + wird während des Ladens von der positiven Elektrode entfernt und durch den Elektrolyten in die negative Elektrode eingeführt. Im Gegenteil, der Lade- und Entladevorgang der Batterie ist tatsächlich Li +, das zwischen den beiden Elektroden hin und her eingebettet ist. Der Vorgang des Herausnehmens, daher wird diese Batterie auch als "Schaukelstuhlbatterie" (abgekürzt als RCB) bezeichnet. Das Reaktionsdiagramm und die grundlegende Reaktionsformel lauten wie folgt:

2. Polymer-Lithium-Ionen-Batterietechnologie

2.1 Leistungsmerkmale der Polymer-Lithium-Ionen-Batterie

Eine Polymer-Lithium-Ionen-Batterie bezieht sich auf eine Lithium-Ionen-Batterie, bei der ein Elektrolyt einen festen Polymerelektrolyten (SPE) verwendet. Die Batterie wird durch Verdichten eines positiven Elektrodenstromkollektors, eines positiven Elektrodenfilms, einer Polymerelektrolytmembran, einer negativen Elektrodenmembran und eines negativen Elektrodenstromkollektors gebildet und mit einem Aluminium-Kunststoff-Verbundfilm versiegelt, und die Kanten davon sind heißversiegelt, um eine Polymer-Lithium-Ionen-Batterie zu erhalten. Da die Elektrolytmembran fest ist, gibt es kein Leckageproblem, und der Freiheitsgrad beim Batteriedesign ist groß, und sie kann nach Bedarf in Reihe oder parallel oder in einer bipolaren Struktur geschaltet werden.

Die Polymer-Lithium-Ionen-Batterie weist die folgenden Eigenschaften auf: 1 Formflexibilität; 2 höhere massenspezifische Energie (3-fache MH-Ni-Batterie); 3 Fensterbreite für elektrochemische Stabilität bis 5V; 4 perfekte Sicherheit und Zuverlässigkeit; 5 längere Lebensdauer, weniger Kapazitätsverlust; 6 Volumenauslastung; 7 eine breite Palette von Anwendungen.

Die Arbeitsleistungsindikatoren lauten wie folgt: Arbeitsspannung: 3,8 V; spezifische Energie: 130 Wh / kg, 246 Wh / l; Zykluslebensdauer:> 300; Selbstentladung: <0,1% / Monat; Arbeitstemperatur: 253-328K; Ladegeschwindigkeit: 1h 80% Kapazität; 3h bis 100% Kapazität; Umweltfaktoren: ungiftig.

2.2 Kathodenmaterial

Die Eigenschaften und der Preis einer Lithium-Ionen-Batterie hängen eng mit ihrem positiven Elektrodenmaterial zusammen. Im Allgemeinen sollte das positive Elektrodenmaterial Folgendes erfüllen: (1) elektrochemische Verträglichkeit mit der Elektrolytlösung im erforderlichen Bereich des Lade- und Entladepotentials; (2) milde Elektrodenprozesskinetik; (3) hoch reversibel; (4) Gute Stabilität in Luft im vollen Lithiumzustand, mit der Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien werden ständig Forschungsarbeiten an leistungsstarken, kostengünstigen Kathodenmaterialien durchgeführt. Derzeit konzentriert sich die Forschung hauptsächlich auf Lithiumübergangsmetalloxide wie Lithiumkobaltoxid, Lithiumnickeloxid und Lithiummanganoxid [1] (siehe Tabelle 1).

Tabelle 1 Vergleich von drei Hauptkathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien

Lithiumkobaltoxid (LiCoO2) gehört zur Struktur vom α-NaFeO2-Typ und hat eine zweidimensionale Schichtstruktur, die zur Deinterkalation von Lithiumionen geeignet ist. Aufgrund des einfachen Herstellungsprozesses, der stabilen Leistung, der hohen spezifischen Kapazität und der guten Zyklusleistung verwenden die meisten handelsüblichen Lithium-Ionen-Batterien LiCoO2 als positives Elektrodenmaterial. Die Syntheseverfahren umfassen hauptsächlich ein Hochtemperatur-Festphasensyntheseverfahren und ein Niedertemperatur-Festphasensyntheseverfahren sowie weichchemische Verfahren wie ein Oxalsäurefällungsverfahren, ein Sol-Gel-Verfahren, ein Kaltwärmeverfahren und ein organisches Mischverfahren.

Lithiumnickeloxid (LiNiO2) ist eine Steinsalzstrukturverbindung mit guter Hochtemperaturstabilität. Aufgrund seiner geringen Selbstentladungsrate, geringen Anforderungen an Elektrolyte, keiner Umweltverschmutzung, relativ reichlich vorhandenen Ressourcen und eines angemessenen Preises ist es ein vielversprechendes Kathodenmaterial für Lithiumkobaltoxid. Derzeit wird LiNiO2 hauptsächlich durch Festphasenreaktion von Ni (NO3) 2, Ni (OH) 2, NiCO3, NiOOH und LiOH, LiNO3 und LiCO3 synthetisiert. Die Synthese von LiNiO2 ist schwieriger als die von LiCoO2. Der Hauptgrund ist, dass das stöchiometrische Verhältnis von LiNiO2 unter Hochtemperaturbedingungen leicht in Li1-xNi1 + xO2 zerlegt wird. Die überschüssigen Nickelionen befinden sich in der Lithiumschicht zwischen den NiO2-Ebenen, was die Diffusion von Lithiumionen behindert. Beeinflusst die elektrochemische Aktivität des Materials, und da Ni3 + schwieriger zu erhalten ist als Co3 +, muss die Synthese in einer Sauerstoffatmosphäre durchgeführt werden [2].

Lithiummanganoxid ist eine Modifikation des traditionellen positiven Elektrodenmaterials. Gegenwärtig ist der Spinelltyp LixMn2O4 weit verbreitet, der eine dreidimensionale Tunnelstruktur aufweist und besser zur Deinterkalation von Lithiumionen geeignet ist. Lithiummanganoxid ist reich an Rohstoffen, kostengünstig, umweltfreundlich, überladungsbeständig und hitzebeständig. Es stellt relativ geringe Anforderungen an Batteriesicherheitsschutzvorrichtungen und gilt als das vielversprechendste Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien. Die Mn-Auflösung, der Jahn-Teller-Effekt und die Zersetzung des Elektrolyten werden als die wichtigsten Ursachen für den Kapazitätsverlust der Lithiumionenbatterie angesehen, der zu Lithiummanganoxid als positivem Elektrodenmaterial führt.

2.3 Festpolymerelektrolyt.

Ein festes Material, das Strom durch Ionen leitet, wird allgemein als fester Elektrolyt bezeichnet und umfasst drei Arten eines kristallinen Elektrolyten, eines Glaselektrolyten und eines Polymerelektrolyten, wobei der feste Polymerelektrolyt (SPE) einen leichten, leichten Film aufweist Bildung, gute Viskoelastizität und ähnliche Vorteile können in Batterien, Sensoren, elektrochromen Anzeigen und Kondensatoren verwendet werden. Die Verwendung von SPE in Lithium-Ionen-Batterien kann das Problem des Austritts von flüssigem Elektrolyt beseitigen, den Separator in der Batterie ersetzen, die Bildung von Dendriten auf der Oberfläche der Elektrode verhindern, die Reaktivität des Elektrolyten und der Elektrode verringern und die spezifische Energie verbessern der Batterie, und machen Sie die Batterie widerstandsfähig. Druck, Schlagfestigkeit, niedrige Produktionskosten und einfache Verarbeitung.

Ein herkömmlicher Festpolymerelektrolyt (SPE) besteht aus einem Polymer und einem Lithiumsalz, bei dem es sich um ein Elektrolytsystem handelt, in dem ein Lithiumsalz in einem Polymer gelöst ist. Im Allgemeinen kann ein Polymer mit einer polaren Gruppe wie Sauerstoff, Stickstoff oder Schwefel, die mit Li + in einer Molekülkette koordinieren kann, verwendet werden, um ein solches System zu bilden, wie Polyethylenoxid (PEO), Polyoxypropylen oder Polyoxyheterocyclus, Butan, Polyethylenimin, Poly (N-propyl-1-aziridin), Polysulfid und dergleichen. Li + als harte Säure neigt dazu, mit einer harten Base zu interagieren, so dass die Löslichkeit eines Lithiumsalzes in einem Polymer, das polare Stickstoff- und Schwefelgruppen enthält, geringer ist als die eines Polymers mit einer sauerstoffhaltigen polaren Gruppe und elektrischer Leitfähigkeit (σ) Sehr niedrig und hat keine praktische Bedeutung; Die Konformation von PEO-Molekülen ist günstiger als bei anderen Polyethermolekülen, um eine Mehrfachkoordination mit Kationen zu bilden, kann mehr Lithiumsalze lösen und weist eine gute elektrische Leitfähigkeit auf, sodass das PEO + -Lithiumsalzsystem zum SPE wird. Das früheste und am weitesten untersuchte System.

Der herkömmliche Festpolymerelektrolyt (SPE) hat jedoch eine σ-Raumtemperatur von üblicherweise weniger als 10 & supmin; & sup4; S · cm & supmin; ¹. Um die Anforderungen einer Lithiumionenbatterie zu erfüllen, kann die Zugabe eines Polymer / Salz-Systems die Dissoziation des Lithiumsalzes fördern und das freie Volumen des Systems erhöhen. Ein Geliermittel, das seine Glasübergangstemperatur (Tg) bewertet und senkt, ergibt eine Gel-SPE mit einer σ-Raumtemperatur von mehr als 10-3 S · cm & supmin; ¹. Weichmacher sind im Allgemeinen organische Lösungsmittel mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, geringer Flüchtigkeit, Mischbarkeit mit dem Polymer / Salz-Komplex und Stabilität gegenüber der Elektrode, beispielsweise Ethylencarbonat (EC), Propylencarbonat (PC), Dimethylcarbonat, N-Methylpyrrolidon, Sulfolan , γ-Butyrolacton und dergleichen. Üblicherweise verwendete Lithiumsalze sind LiPF6, LiN (SO2CF3) und dergleichen.

Die Faktoren, die die Leitfähigkeit des Polymers beeinflussen, wurden mittels XRD-, DSC- und AC-Impedanz diskutiert.

(1) Einfluss der Lithiumsalzkonzentration auf die elektrische Leitfähigkeit

Wenn die Konzentration des Lithiumsalzes niedrig ist, ist die Leitfähigkeit des Polymerelektrolyten relativ niedrig, nur in der Größenordnung von 10 bis 8. Bei der Erhöhung der Lithiumsalzkonzentration nimmt die Leitfähigkeit mit zunehmender Konzentration der Trägerionen zu; und wenn die Konzentration des Salzes weiter ansteigt, führt die hohe Ionenkonzentration zur Wechselwirkung zwischen den Ionen. Die Verbesserung bewirkt, dass die Mobilität der Trägerionen abnimmt, was zu einer Abnahme der Leitfähigkeit führt.

(2) Beziehung zwischen Weichmacherkonzentration und Tg

Mit zunehmendem Weichmacher nimmt die Glasübergangstemperatur des Polymerelektrolyten allmählich ab, was die Segmentbewegung des Polymerelektrolyten bei Raumtemperatur beschleunigt und somit seine elektrische Leitfähigkeit erhöht. Obwohl die Erhöhung der Konzentration des Weichmachers die elektrische Leitfähigkeit des Polymerelektrolyten stark erhöht, verringert sie auch die Eigenschaft der selbsttragenden Filmbildung und die mechanische Festigkeit der Polymerelektrolytmembran. Wenn das Präpolymer, der Weichmacher und das Lithiumsalz gemischt werden, wird die Polymerisationsreaktion durch Licht oder Wärme initiiert und das Gel SPE mit einer Netzwerkstruktur wird durch chemische Bindung gebildet, so dass das erhaltene SPE nicht nur gute mechanische Eigenschaften aufweist, sondern auch das hemmt Polymer. Die Kristallisation erhöht die Menge an Weichmacher in der SPE und führt zu einer hohen σ-SPE.

2.4 Anodenmaterial

Die Kapazität einer Lithium-Ionen-Batterie hängt in hohem Maße von der Lithiumeinfügungsmenge der negativen Elektrode ab. Das negative Elektrodenmaterial sollte die folgenden Anforderungen erfüllen: (1) Die Änderung des Elektrodenpotentials während der Lithium-Deinterkalation ist gering und liegt nahe an metallischem Lithium. (2) hat ein höheres Verhältnis Kapazität; (3) höhere Lade- und Entladeeffizienz; (4) höhere Diffusionsrate im Inneren und auf der Oberfläche Li + des Elektrodenmaterials; (5) höhere strukturelle, chemische und thermische Stabilität; (6) niedrige Kosten und einfache Vorbereitung. Derzeit konzentrieren sich die Forschungsarbeiten zu Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich auf Kohlenstoffmaterialien und andere Metalloxide mit speziellen Strukturen.

Im Allgemeinen ist das Verfahren zur Herstellung des Anodenmaterials wie folgt: 1 Erhitzen des weichen Kohlenstoffs auf eine bestimmte hohe Temperatur, um hoch graphitierten Kohlenstoff zu erhalten; 2 Zersetzen des vernetzten Harzes mit einer speziellen Struktur bei hoher Temperatur, um einen harten Kohlenstoff zu erhalten; 3 Herstellung der organischen Substanz für die thermische Zersetzung bei hoher Temperatur und des Wasserstoffs mit hohem Polymergehalt.

Die Schwierigkeit, die im Kohlenstoffanodenmaterial zu überwinden ist, ist das Problem der Dämpfung des Kapazitätszyklus, dh des irreversiblen Kapazitätsverlusts aufgrund der Bildung einer Festelektrolytphasengrenzfläche (SEI). Daher ist die Herstellung von hochreinen und regelmäßig mikrostrukturierten Kohlenstoffanodenmaterialien eine Entwicklungsrichtung.

Der Mechanismus verschiedener Metalloxide ähnelt dem der positiven Elektrodenmaterialien, und die Hauptforschungsrichtung besteht darin, Metalloxide mit neuartigen Strukturen oder Verbundstrukturen zu erhalten.

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