Was sind die Fortschritte bei Festkörper-Lithiumbatterien?

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. Um die große Kapazität und die lange Lebensdauer zu realisieren und damit die Praktikabilität aller Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien zu fördern, ist die Batterie zur Entwicklung von Schlüsselmaterialien und zur Leistungsoptimierung dringend erforderlich, einschließlich der Herstellung einer Leitfähigkeit bei hoher Raumtemperatur und der elektrochemischen Stabilität von Festelektrolyt und verwendet während der hohen Energie von Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie-Elektrodenmaterialien, die Verbesserung der Elektroden / Festelektrolyt-Grenzflächen-Kompatibilität.

Festkörperbatterien werden eingeführt

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien verwenden organische flüssige Elektrolyte, wie z. B. Überladung, interner Kurzschluss unter abnormalen Bedingungen, leichtes Fieber der Batterie, Elektrolytblähungen, Selbstentzündung und Explosion. Es besteht eine ernsthafte Sicherheitsgefahr. Entwickelt in den 1950er Jahren alle Festkörper basierend auf Festelektrolyt Lithiumbatterie, als Ergebnis der Verwendung von Festelektrolyt, enthält keine brennbaren, flüchtigen Komponenten, eliminiert Zellen aufgrund der Leckage Ursache von Rauch, Feuer und anderen Sicherheitsbedenken, bekannt als das sicherste Batteriesystem. Für Energiedichte, Die Regierung von China, den Vereinigten Staaten und Japan hofft, dass im Jahr 2020 400 bis 500 Wh / kg Prototypen entwickelt wurden, um die Massenproduktion von 2025 bis 2030 zu realisieren, um dieses Ziel zu erreichen, das jetzt als das wahrscheinlichste anerkannt wird Verwendung von Lithium-Metall-Anode und Lithium-Metall existieren in der traditionellen flüssigen Lithium-Ionen-Batterie Dendrit, Pulverisierung, der SEI (Festelektrolyt-Grenzflächenfilm) ist nicht stabil, Brandung Ace-Side-Reaktion und so weiter viele technische Herausforderungen, und der Festelektrolyt und die Verträglichkeit von metallischem Lithium ermöglichen es, Lithium als Negativ zu verwenden, wodurch der Anstieg der Energiedichte signifikant realisiert wird.

Verschiedene Arten von Elektrolyten und vergleichen Sie die Eigenschaften des Lithium-Ionen-Batteriesystems

Festelektrolyt werden überprüft

Bei Festkörperbatterien ist Festelektrolyt die Kernkomponente seines Unterschieds zu anderen Batteriesystemen. Festelektrolyt sollte einen idealen Arbeitstemperaturbereich (insbesondere bei Raumtemperatur) aufweisen und eine hohe Lithiumionenleitfähigkeit aufweisen. Kann ignoriert werden oder es gibt keine Korngrenzenimpedanz. Mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Elektrodenmaterialien, dem Batterielade- und -entladevorgang, den Anodenelektrodenmaterialien zur Aufrechterhaltung einer guten chemischen Stabilität, insbesondere Lithiummetall- oder Lithiumlegierungsanode, elektrochemisch weitem Mund, hoher Durchschlagspannung, nicht leicht feuchtigkeitsabsorbierend, Die kostengünstige Zubereitungstechnologie ist einfach und umweltfreundlich.

Gegenwärtig ist die Herstellung eines Polymer-Festpolymerelektrolyten in dem Batteriematerialsystem Polyethylenoxid (PEO). Der PEO-Polymerelektrolyt ist charakteristisch für eine hohe Ionenleitfähigkeit bei hoher Temperatur, leicht zu filmen, leicht zu bearbeiten und die Anode kann danach gebildet werden kontinuierlicher ionenleitender Verbundkanal, der Anodenoberflächenwiderstand ist klein. Das PEO-Oxidationspotential von 3,8 V, Kobaltsäurelithium, Schichtoxiden und Spinelloxiden wie Anoden mit hoher Energiedichte ist schwer anzupassen, muss modifiziert werden. Zweitens ist der PEO-Basiselektrolyt Temperatur in 60 ~ 85 ° C, Batteriesystem benötigt Wärmemanagement, die Notwendigkeit für Strom- und Energiespeicheranwendungen spezielles Batteriesystemdesign; Auch diese Art von Lithiumbatterie, die direkt beim Laden und Entladen ungleichmäßiger Sedimentation verwendet wird, existiert noch an den Grenzflächen von Lithiumdendrit über die Polymermembran, verursacht durch Kurzschluss innerhalb des verborgenen Problems, zusätzlich müssen die Eigenschaften des Verhältnisses ebenfalls im sein Die Entwicklung der Beständigkeit gegen Hochspannung, die hohe Ionenleitfähigkeit bei Raumtemperatur und der Blockierungsmechanismus von Lithiumdendrit sowie die guten mechanischen Eigenschaften des Polymerelektrolyten sind eine wichtige Forschungsrichtung.

Anorganischer Festelektrolyt besteht aus Oxid und Sulfid. In kleinen Mengen wurden Festkörperbatterien hauptsächlich als amorphes Lipton als Elektrolyt-Dünnschichtbatterien hergestellt. Anorganischer Festelektrolyt hat den Vorteil eines Teils des Materialkörpers, hohe Ionenleitfähigkeit verträgt Hochspannung, elektrochemische, chemische und thermische Stabilität, Hemmung von Lithiumdendrit hat einen gewissen Effekt.

Im Vergleich zu Oxid und Sulfid ist es aufgrund der relativ weichen Verarbeitung einfacher, alle Festkörper-Lithiumbatterien durch Heißpressen mit Heißpressverfahren herzustellen. Kürzlich wurde gezeigt, dass Festkörper-Lithiumbatterien bei Raumtemperatur sogar unter 60 ° C arbeiten können, während die Volumen und Qualität werden eine signifikante Verringerung der Energiedichte bedeuten, aber zumindest die Ergebnisse spiegeln die Festkörperbatterien mit hohem Leistungspotential wider. Sulfidelektrolyt ist luftempfindlich, leicht oxidierbar, das Wasser ist leicht zu produzieren, wie z Schwefelwasserstoff. Durch Sulfidverbindung Oxid oder Dotierung kann sich dieses Problem bis zu einem gewissen Grad verbessern, aber am Ende kann die Anwendungsanforderung für Sicherheit erfüllt werden. Umweltfreundliche Merkmale sind experimentell zu überprüfen. In diesem Stadium ist die Verwendung eines anorganischen keramischen Feststoffs erforderlich Die Qualität und Volumenenergiedichte von Elektrolyt-Festkörperbatterien mit großer Kapazität ist erheblich geringer als bei der vorhandenen Flüssiglithiumionenbatterie.

Die Anodenmaterialien werden überprüft

Neben einem Festelektrolyten und Elektrodenmaterialien sind auch die Schlüsselfaktoren, die die Leistung von Festkörperbatterien beeinflussen. Obwohl eine Grenzfläche zwischen Festelektrolyt und Elektrodenmaterial grundlegend ist, gibt es keine Nebenwirkungen bei der Zersetzung von Festelektrolyten, aber ein Festkörpermerkmal macht die Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt aus Kompatibilität, hohe Grenzfläche wurde durch die Impedanz des Ionentransports beeinflusst, führt zu einer geringen Zykluslebensdauer, Verhältnis der Festkörperbatterieleistung ist schlecht. Darüber hinaus wird die Entwicklung und Anwendung aller Festkörperlithiumionenbatterien in Zukunft unvermeidlich sein Von kleinen Festkörper-Dünnschichtbatterien bis hin zu großen Festkörperbatterien können jedoch herkömmliche Elektrodenmaterialien die Anforderungen einer hohen Energiedichte nicht erfüllen. Aus den oben genannten Gründen konzentriert sich die Untersuchung von Elektrodenmaterialien hauptsächlich in zwei Aspekten: Einer ist die Modifikation von Elektrodenmaterialien und ihrer Grenzfläche, die Verbesserung der Elektrode / Elekt Kompatibilität der Rolyte-Grenzfläche: Die zweite besteht darin, neues Elektrodenmaterial zu entwickeln, um die elektrochemischen Eigenschaften der Festkörperbatterien weiter zu verbessern.

Eine hohe Energiedichte des Anodenmaterials hat eine größere interkalierte Li-Kapazität und eine hohe Spannung. Dies wird beim Laden und Entladen der Volumenänderung erheblich sein. Unter Verwendung von Festelektrolyt, in der Anode und an der Grenzfläche der Festelektrolytmembran und im positiven Inneren Kontakt mit der Festelektrolytgrenzfläche, Kontaktschwankungen sind wahrscheinlich. Die Lösung, einschließlich der positiven Partikel in der Oberfläche in situ oder ex situ, lagert sich ab oder drückt eine feste Elektrolytschicht heiß, oder die positive Partikelporenfüllung in einem bestimmten elastischen Festelektrolyten bildet sich Kontinuierliche ionenleitende Phase, ähnlich dem flüssigen Elektrolyten, oder in Flüssigkeit, führte das positiv-seitige Fest-Flüssig-Verbundsystem ein. Weil es schwierig ist, die Flüssigkeitsinjektion in die Anode zu trennen, kann die Einführung der Flüssigkeit die Vorteile von haben Festkörper-Lithiumbatterie mit hoher Energiedichte und Sicherheit ist der Schlüssel, sie hängt von der Einführung der elektrochemischen Eigenschaften ab s von Flüssigkeits- und Sicherheitsmerkmalen, und die Lithiummetallelektrode ist im Voraus vollständig geschützt. Jetzt, da die Sicherheit des vorhandenen flüssigen Elektrolyten im Wesentlichen den Anforderungen entspricht, fügen Sie in den Festkörperbatterien die Flüssigkeit hinzu, um die positive Seite zu reduzieren , Kontaktwiderstand sollte eine Dose sowohl Dynamik- als auch Sicherheitslösungen sein. Aber Arbeit in Hochspannung zu finden, gute Benetzbarkeit, Sicherheit, guter flüssiger Elektrolytzusatz ist auch nicht einfach, es ist an sich eine flüssige Lithiumionenbatterie eine der Hauptforschungen Richtung und die Engpass-Technik.

Anodenmaterialien werden überprüft

Metall aufgrund seiner hohen Kapazität und geringen potenziellen Vorteile in Festkörperbatterien eines der Hauptanodenmaterialien, Lithiummetall im Umlaufprozess, hat jedoch die Produktion von Lithiumdendrit, kann nicht nur dazu beitragen, die Menge an Lithium zu reduzieren Eingebettet / abheben, schwerwiegender ist, dass dies zu Sicherheitsproblemen wie Kurzschlüssen führen kann. Anderes Metall Li ist sehr lebhaft, leicht mit Sauerstoff in Luft und Wasser usw. zu reagieren und ist nicht in der Lage, metallisches Hochtemperaturlithium zu verursachen die Batterie Montage und Anwendung der Schwierigkeiten. Die Verbindung von Lithiummetall und Legierung ist eine der Hauptmethoden, um diese Probleme zu lösen, das Legierungsmaterial hat normalerweise eine hohe theoretische Kapazität und die Aktivität von metallischem Lithium und wird durch die Beteiligung anderer verringert Metalle können die Produktion von Lithiumdendriten und die elektrochemische Reaktion wirksam steuern und fördern so die Grenzflächenstabilität. Anode aus Lithiumlegierung, es gibt jedoch einige offensichtliche Mängel, m Nur wenn die Elektrode im Prozess der Zirkulationsvolumenänderung groß ist, wird dies zu einer ernsthaften Elektrodenpulverisierung führen, die Zyklusleistung ist stark gesunken, 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 / Aktiv, Kohlenstoffverbund und poröse Struktur) usw. verbessert werden.

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 und hat eine gute Plattform für die Spannungs-, Lade- und Entladeeffizienz über 90%, aber die theoretische Kapazität ist gering (nur etwa 372 ma ˙ h / g) ist eine der größten, diese Art von Material und die praktische Anwendung wurde im Grunde theoretische Grenze erreicht, kann die Anforderungen nicht erfüllen von hoher Energiedichte.

Fazit

Um die traditionelle organische Festelektrolyt-Elektrolyt-Herstellung von Festkörperbatterien zu ersetzen, kann das Problem der Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie grundlegend gelöst werden. Derzeit wird viel Arbeit auf die Entwicklung einer höheren Energie und Leistungsdichte des gesamten Festkörper-Lithiums gerichtet Ionenbatterien sind für die Förderung der Hochsicherheits- und Hochenergiespeicherbatterie im Zuge der Industrialisierung die Schlüsselmaterialien (wie Festelektrolyt, positive und negative) für Forschung und Entwicklung sowie die Herstellung von entscheidender Bedeutung.

Das von Festelektrolyten entwickelte System aus PEO und seinen Derivaten Polymerelektrolyt, Lipton-Filmelektrolyt, Oxiden und Sulfiden sowie amorphen Elektrolyten und Sulfidglaselektrolytsystemen wurde die Ionenleitfähigkeit kontinuierlich gefördert. Derzeit wird es höchstwahrscheinlich auf alle Festkörper-Lithiumionenbatterien von angewendet die Festelektrolytmaterialien, einschließlich des Polymerelektrolyten auf PEO-Basis, des Elektrolyten NASICON und des Granatoxid- und Sulfidelektrolyten.

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

Batterie ist das Schlüsselmaterial für die Optimierung der großen Kapazität der gesamten Festkörper-Lithium-Ionen-Batterieindustrie. Sie hat ein solides Fundament gelegt, aber es sind noch einige Probleme zu lösen, und sie wird zur Entwicklungsrichtung der Zukunft, obwohl es im Allgemeinen viele Probleme gibt Die Entwicklungsaussichten für Festkörperbatterien sind sehr positiv. Ersetzen Sie vorhandene Lithium-Ionen-Batterien. Werden Sie zum Mainstream in der zukünftigen Energiespeicher-Stromversorgung. Dies ist auch der Trend von The Times.

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