Was ist mit ternären Materialien für Lithiumbatterien?

Die Kosten für Anodenmaterialien in Lithiumionenbatterien betragen etwa 40% und die für Anodenmaterialien nur etwa 5%. Daher ist ersichtlich, dass Anodenmaterialien in Lithiumionenbatterien eine wichtige Rolle spielen. Anodenmaterialien werden hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt, nämlich Schichtstruktur, Spinellstruktur und Olivinstruktur. Die repräsentativen Materialien der Spinellstruktur und der Olivinstruktur sind LiMn2O4 und LiFePO4, während die repräsentativen Materialien der Schichtstruktur LiMO2 (M = Ni, Co, Mn) und ternäre Materialien sind.

Einführung in ternäre Anodenmaterialien

1999 stellten ZhaolinLiu et al. von der Nationalen Universität von Singapur schlug zunächst die ternär geschichteten Li (Ni, Co, Mn) O2-Materialien mit verschiedenen Komponenten vor. Durch den synergistischen Effekt von ni-co-mn kombinierten sie die Vorteile einer guten Zirkulationsleistung von LiCoO2, einer hohen spezifischen Kapazität von LiNiO2 und einer niedrigen Kosten- und Sicherheitsleistung von LiMnO2.

Bei Elektrofahrzeugen ist eine höhere Batterieleistung erforderlich, um weiter zu gehen, und ternäre Materialien haben eine höhere Energie und versprechen eine bessere Lebensdauer als der LFP, der in Leistungsbatterien weit verbreitet ist. Gegenwärtig ist der Preis für Elektroautos in der Branche sehr hoch, und die hohen Kosten für Leistungsbatterien sind einer der wichtigen Gründe, die fast die Hälfte des Preises für das gesamte Auto ausmachen.

Ternäres Anodenmaterial hat eine längere Lebensdauer, so dass die Leistungsbatterie länger verwendet werden kann, wodurch die Kostenleistung von Elektrofahrzeugen verbessert wird. Im Januar letzten Jahres stellte der Staat jedoch die Verwendung von ternären lithium-ionen-batterien in Personenkraftwagen ein, hauptsächlich aufgrund der instabilen Sicherheitsleistung von ternären Materialien. Schließlich kann bei der heutigen Wissensexplosion nichts die Menschen davon abhalten, neue Technologien zu erforschen, außer Sicherheit.

Mit der Änderung des Anteils der drei Elemente von Ni-Co-Mn können die ternären Materialien grob in zwei Typen unterteilt werden: Ni: Mn-Isotyp und nickelreicher Typ. Im ersteren ist Co +3, Ni +2 und Mn +4. Die invariante Wertigkeit von Mn spielt eine Rolle bei der Stabilisierung der Struktur. Beim Laden verliert Ni 2 Elektronen, wodurch die Eigenschaften des Materials mit hoher Kapazität erhalten bleiben.

Um die Batteriekapazität zu verbessern und den Gehalt an Ni zu erhöhen, wird es als nickelreicher Typ bezeichnet. In solchen Materialien ist Co +3 Valenz, Ni + 2 / + 3 Valenz und Mn +4 Valenz. Wenn die Ladespannung niedriger als 4,4 V ist (relativ zu Li + / Li), wird Ni + 2 / + 3 oxidiert, um Ni + 4 zu bilden. Laden Sie weiter. Bei einer hohen Spannung reagiert Co3 + unter Bildung von Co4 +. Unter 4,4 V ist die reversible Kapazität des Materials umso größer, je höher der Ni-Gehalt ist.

Die durch Ersetzen von Mn4 + durch Al3 + gebildete NCA gehört ebenfalls zum ternären Material mit hohem Nickelgehalt. Al3 + hat wie Mn4 + den gleichen stabilen Valenzzustand und der Co-Gehalt beeinflusst die Ionenleitfähigkeit des Materials. Abbildung 2 vergleicht die Eigenschaften ternärer Materialien verschiedener Komponenten.

Abbildung 2 Beziehung zwischen der entladungsspezifischen Kapazität, der thermischen Stabilität und der Kapazitätsretentionsrate von ternären Materialien mit verschiedenen Komponenten

Wie aus der Figur ersichtlich ist, stieg mit zunehmendem Ni-Gehalt die spezifische Kapazität des Entladungspunktes von 160 mA · h · g-1 auf mehr als 200 mA · h · g-1 und die thermische Stabilität und Kapazitätsretentionsrate verringert.

3. Probleme bei ternären Materialien

· Einfluss eines erhöhten Ni-Gehalts

Durch Erhöhen des Ni-Gehalts in ternären Materialien kann die Kapazität der Batterie verbessert werden. Die Zirkularität und die thermische Stabilität verschlechtern sich jedoch. Wenn der Ni-Gehalt zunimmt, tritt der Phasenübergang während des REDOX-Prozesses auf, was zu einer Dämpfung der Kapazität führt. Die Erhöhung des Ni-Gehalts verringert auch die Temperatur der thermischen Zersetzung und erhöht die Wärmefreisetzung, was zu einer schlechten thermischen Stabilität des Materials führt. Bei Li [NixCoyMnz] O2-Materialien mit hohem Nickelgehalt reagieren x> 0,6-Materialien leicht mit CO2 und H2O in der Luft, um Li2CO3 zu erzeugen, und LiOH ist die Hauptursache für das Aufblasen von Gas, und letzteres reagiert mit LiPF6 in der Elektrolyt. Wenn x höher ist, ist der Effekt schwerwiegender.

· Abgleich mit Elektrolyt

Die Reaktion und der Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt- und Anodenmaterialien beeinträchtigen die Leistung von Lithiumionenbatterien, und die Korrosion aktiver Materialien und die Zersetzung des Elektrolyten beeinträchtigen den Ladungstransfer an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt erheblich.

· Ungleichmäßige Oberflächenreaktion

SooyeonHwang [3] et al. Das koreanische Institut für Wissenschaft und Technologie stellte fest, dass sich die Struktur von NCA während des Ladens ändern würde und das Li auf der Partikeloberfläche eher austreten würde, was zu einer ungleichmäßigen Kristall- und Partikelstruktur auf der Oberfläche führen würde. Eine solche Änderung würde eine schnelle Kapazitätsdämpfung und einen Impedanzanstieg des Materials verursachen.

4. Forschungs- und Entwicklungsrichtung von ternären Materialien

Professor Ai Xinping von der Wuhan University machte eine Vorhersage für die nächste Generation von power-batterien. Er erwähnte, dass es für das Batteriesystem mit NCM und NCA als positiver Elektrode und Graphitkohlenstoff als negativer Elektrode nicht schwierig ist, das kurzfristige Ziel von 150 bis 170 Wh / kg zu erreichen, aber die Sicherheit ist das Haupthindernis für seine Ladeanwendung .

In der zukünftigen Entwicklung sollten die folgenden vier Richtungen untersucht werden: ternäre Materialien mit höherer Kapazität; Ternäre Materialien mit höherer Leistung; Verbesserung der Synthesemethode; Studie zu Elektrolytadditiven in Kombination mit ternären Materialien.

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