Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien

Li-Ionen-Batterien werden aus Lithiumbatterien entwickelt. Führen Sie daher vor der Einführung von Li-Ionen Lithiumbatterien ein. Beispielsweise gehörten die in der vorherigen Kamera verwendeten Tastenbatterien zu Lithiumbatterien. Das positive Elektrodenmaterial der Lithiumbatterie ist Mangandioxid oder Thionylchlorid, und die negative Elektrode ist Lithium. Nach dem Zusammenbau der Batterie hat die Batterie eine Spannung und muss nicht wieder aufgeladen werden. Dieser akku kann auch aufgeladen werden, aber die Zyklusleistung ist nicht gut. Während des Lade- und Entladezyklus bilden sich leicht Lithiumdendriten, was zu einem Kurzschluss in der Batterie führt. Daher ist dieser Batterietyp generell verboten. Aufladen. Später erfand die Sony Corporation of Japan die negative Elektrode aus Kohlenstoffmaterialien und die positive Elektrode aus lithiumhaltigen Verbindungen. Während des Lade- und Entladevorgangs gab es kein metallisches Lithium, nur Lithiumionen, bei denen es sich um eine Lithium-Ionen-Batterie handelte. Wenn die Batterie geladen wird, werden Lithiumionen an der positiven Elektrode der Batterie erzeugt, und die resultierenden Lithiumionen bewegen sich durch den Elektrolyten zur negativen Elektrode. Der Kohlenstoff als negative Elektrode hat eine Schichtstruktur. Es hat viele Mikroporen. Lithiumionen, die die negative Elektrode erreichen, sind in die Mikroporen der Kohlenstoffschicht eingebettet. Je mehr Lithiumionen eingebettet sind, desto höher ist die Ladekapazität. In ähnlicher Weise werden beim Entladen der Batterie (dh wenn wir die Batterie verwenden) die in die negative Kohlenstoffschicht eingebetteten Lithiumionen entfernt und zum positiven Pol zurückbewegt. Je mehr Lithiumionen zum positiven Pol zurückkehren, desto höher ist die Entladekapazität. Was wir normalerweise als Batteriekapazität bezeichnen, bezieht sich auf die Entladekapazität. Beim Laden und Entladen von Li-Ionen befinden sich Lithiumionen vom positiven Pol → negativen Pol → positiven Pol in Bewegung. Li-ion Gates ist wie ein Schaukelstuhl. Die Enden des Schaukelstuhls sind die Pole der Batterie, und Lithiumionen laufen wie Sportler im Schaukelstuhl hin und her. Li-Ionen-Batters werden daher auch als Schaukelstuhlbatterien bezeichnet.

1, Leistungen und allgemeine Herstellungsverfahren von 1 Kathodenmaterialien

Der wichtige Parameter zur Charakterisierung der Transporteigenschaften von Ionen in positiven Polen ist der chemische Diffusionskoeffizient. Im Allgemeinen ist der Diffusionskoeffizient von Lithiumionen in positiv polaren Wirkstoffen relativ niedrig. Lithium wird in ein positives Material eingebettet oder von diesem entfernt, begleitet von einer Änderung der Phase des Kristalls. Daher sind die Elektrodenmembranen von Lithium-Ionen-Batterien sehr dünn, im Allgemeinen in der Größenordnung von einigen zehn Mikrometern. In Lithium eingebettete Verbindungen von Kathodenmaterialien sind temporäre Lagerbehälter für Lithiumionen in Lithiumionenbatterien. Um eine höhere Batteriespannung zu erhalten, werden in Lithium eingebettete Verbindungen mit hohem Potential bevorzugt. Positive Materialien sollten erfüllen:

1) Elektrochemische Verträglichkeit mit Elektrolytlösung innerhalb des erforderlichen Lade- und Entladepotentialbereichs;

2) Moderate Prozessdynamik der Elektrode;

3) hohe Reversibilität;

4) Stabilität in Luft in vollständig lithiiertem Zustand

Der Forschungsschwerpunkt liegt hauptsächlich auf der Verbindung der LiMO2- und Spinell-LiM2O4-Schichtstruktur und den ähnlichen Elektrodenmaterialien von zwei Arten von M (M ist ein Übergangsmetallion wie Co, Ni, Mn, V). Als positives Elektrodenmaterial für Lithiumionenbatterien bestimmen der Grad der Strukturänderung und die Reversibilität von Li + -Ionen während der De-Interkalation und Einbettung die stabilen wiederholten Lade- und Entladungseigenschaften der Batterie. Bei der Herstellung des positiven Elektrodenmaterials wirken sich die Rohmaterialeigenschaften und die Bedingungen des Syntheseverfahrens auf die endgültige Struktur aus. Eine Vielzahl vielversprechender Kathodenmaterialien wurde verwendet, um die Kapazität während des Zyklus zu verringern, was das Hauptproblem in der Forschung ist. Im Handel erhältliche positive Elektrodenmaterialien sind Li1-xCoO2 (0 <x <0,8), Li1-xNiO2 (0 <x <0,8), LiMnO2 [7] [8]. Sie haben Vor- und Nachteile als positive Elektrodenmaterialien für Lithiumionenbatterien. Eine Lithium-Ionen-Batterie mit Lithium-Kobaltoxid als positiver Elektrode hat die Vorteile einer hohen Leerlaufspannung, einer großen spezifischen Energie, einer langen Lebensdauer, eines schnellen Ladens und Entladens usw., aber die Sicherheit ist schlecht. Lithiumnickeloxid ist billiger als Lithiumkobaltoxid und seine Leistung entspricht der von Lithiumkobaltoxid. Es hat eine ausgezeichnete Lithium-Interkalationsleistung, ist jedoch schwierig herzustellen; Während lithiummanganoxid billiger ist, ist es relativ einfach herzustellen und seine Überladungs- und Sicherheitsleistung ist gut, aber seine Lithiumeinfügungskapazität ist gering und die Spinellstruktur wird nicht geladen und entladen. stabil. Unter dem Gesichtspunkt der Anwendungsaussichten wird das Streben nach reichlich vorhandenen Ressourcen, geringen Kosten, ohne Umweltverschmutzung und geringen Anforderungen an die Spannungsregelung und den Schutz der Schaltkreise beim Überladen von Hochleistungskathodenmaterialien die Forschung von Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialien sein. Fokus. Im Ausland wurde berichtet, dass LiVO2 auch eine Schichtverbindung bilden kann, die als positives Elektrodenmaterial verwendet werden kann [9]. Aus diesen Berichten ist ersichtlich, dass sich die Leistung nach Änderung des Herstellungsprozesses stärker ändert, obwohl die chemische Zusammensetzung der Elektrodenmaterialien gleich ist. Erfolgreiche kommerzielle Elektrodenmaterialien haben ihre eigenen einzigartigen Merkmale im Herstellungsprozess, was die Lücke in der aktuellen Forschung in China darstellt. Die Vor- und Nachteile verschiedener Herstellungsverfahren sind nachstehend aufgeführt.

1) Bei der Festphasenmethode werden im Allgemeinen Lithiumsalze wie Lithiumcarbonat- und Kobaltverbindungen oder Nickelverbindungen nach dem Mahlen und Mischen verwendet, um Sinterreaktionen durchzuführen. [10] Und ... Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass das Verfahren einfach ist und die Rohstoffe sind leicht zu bekommen. Es gehört zu der Methode, die in der frühen Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien umfassend untersucht und entwickelt wurde. Die ausländische Technologie ist ausgereifter. Die Nachteile sind die begrenzte Kapazität des positiven Materials, die schlechte Mischungsgleichmäßigkeit der Rohmaterialien, die schlechte Leistungsstabilität des hergestellten Materials und die schlechte Qualitätskonsistenz zwischen der Charge und der Charge.

2) Der komplexe Vorläufer, der Lithiumionen und Kobalt- oder Vanadiumionen enthält, wird zuerst durch das komplexe Verfahren hergestellt und dann gesintert. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass der molekulare Maßstab gemischt wird, die Materialgleichmäßigkeit und Leistungsstabilität gut sind, die elektrische Kapazität des Kathodenmaterials höher ist als die des Festphasenverfahrens und das als Lithiumionenbatterie verwendete Industrialisierungsverfahren nicht im Ausland getestet worden. Die Technologie ist nicht ausgereift und es gibt nur wenige Berichte in China.

3) Die in den 1970er Jahren entwickelte Sol-Gel-Methode

Das Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Partikel und zur Herstellung von Kathodenmaterialien hat die Vorteile des komplexen Verfahrens, und die elektrische Kapazität der hergestellten Elektrodenmaterialien wurde stark verbessert, was ein Verfahren ist, das sich im In- und Ausland schnell entwickelt. Der Nachteil ist, dass die Kosten hoch sind und sich die Technologie noch in der Entwicklungsphase befindet [11].

4) LiMnO2, hergestellt nach dem Ionenaustauschverfahren Armstrong et al. durch Ionenaustauschverfahren wurde ein hoher Wert der reversiblen Entladungskapazität von 270 mA · h / g erhalten. Diese Methode ist zu einem neuen Forschungs-Hotspot geworden. Es hat eine stabile Elektrodenleistung und eine hohe Kapazität. Eigenschaften. Das Verfahren beinhaltet jedoch zeitaufwändige Schritte wie das Verdampfen der Lösungskristallisation, und es besteht immer noch ein beträchtlicher Abstand von der praktischen Anwendung.

Die Untersuchung positiver Materialien geht aus der ausländischen Literatur hervor, dass ihre Kapazität mit einer Geschwindigkeit von 30 bis 50 mA · h / g pro Jahr zunimmt und seine Entwicklung tendenziell in Lithium eingebettete Verbindungen mit immer kleineren Mikrostrukturen und größerer Kapazität besteht. Die Rohstoffskala bewegt sich in Richtung Nanometer, und die theoretische Forschung zur Struktur eingebetteter Lithiumverbindungen hat einige Fortschritte gemacht, aber ihre Entwicklungstheorie ändert sich immer noch. Das Problem der Erhöhung der Kapazität von Lithiumbatterien und der Verringerung der zyklischen Kapazität, die dieses Gebiet stört, wurde von Forschern vorgeschlagen, andere Komponenten hinzuzufügen, um das Problem zu überwinden [12] [13] [14] [15] [16] [17] ... Derzeit ist der theoretische Mechanismus dieser Methoden jedoch nicht klar untersucht worden, so der führende japanische Gelehrte Yoshio. Nishi glaubt, dass in diesem Bereich in den letzten zehn Jahren kaum wesentliche Fortschritte erzielt wurden, und es ist dringend erforderlich, dies weiter zu untersuchen.

2, Eigenschaften und allgemeine Herstellungsverfahren von 2-negativ polarisierten Materialien

Die Leitfähigkeit des negativen Elektrodenmaterials ist im Allgemeinen höher, und es wird eine in Lithium eingebettete Verbindung mit einem Potential ausgewählt, das dem Lithiumpotential so nahe wie möglich kommt, wie verschiedene Kohlenstoffmaterialien und Metalloxide. Die Anforderungen an das negative Elektrodenmaterial für das reversible Einbetten und Entbetten von Lithiumionen haben:

1) Kleine Änderung der freien Energie bei der Einbettungsreaktion von Lithiumionen;

2) Lithiumionen haben eine hohe Diffusionsrate in der festen Struktur der negativen Elektrode;

3) Hochreversible Einbettungsreaktion;

4) gute Leitfähigkeit;

5) Thermodynamisch stabil und reagiert nicht mit Elektrolyten.

Die Forschungsarbeit konzentriert sich hauptsächlich auf Kohlenstoffmaterialien und andere Metalloxide mit speziellen Strukturen. In China wurden Graphit-, Weichkohlenstoff- und Mittelphasen-Kohlenstoffmikrokugeln entwickelt und untersucht. Hartkohlenstoff, Kohlenstoff-Nanoröhren und Bucky Ball C60 werden untersucht [18] [19] [20] [21] [22] [23]. Japan Honda Forschungs- und Entwicklungsgesellschaft K. of Ltd. Sato et al. verwendeten das Pyrolyseprodukt PPP-700 aus Polyparaphenylen (PPP) (Erhitzen von PPP auf 700 ° C mit einer bestimmten Aufheizrate und Auflösen des für einen bestimmten Zeitraum erhaltenen Produkts) als negative Elektrode, und die reversible Kapazität war ebenso hoch wie möglich. 680 mA · h / g. MJ Matthews vom MIT, USA, berichtete, dass die Lithiumspeicherkapazität (Speicherkapazität) des PPP-700 1170 mA · h / g erreichen kann. Wenn die Lithiumspeicherkapazität 1170 mA · h / g beträgt und die Menge der Lithiumeinfügung zunimmt und somit die Leistung der Lithiumionenbatterie verbessert wird, geht der Autor davon aus, dass sich die zukünftige Forschung auf die kleinere Lithiuminterkalation im Nanomaßstab konzentrieren wird Mikrostruktur. Gleichzeitig mit der Untersuchung von Kohlenstoff-Negativelektroden wurde die Suche nach anderen Negativelektrodenmaterialien mit Potentialen ähnlich dem Li + / Li-Potential berücksichtigt. Bei den in Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Kohlenstoffmaterialien gibt es zwei Probleme:

1) Spannungsverzögerung, dh die Einbettungsreaktion von Lithium wird zwischen 0 und 0,25 V (relativ zu Li + / Li) durchgeführt und die Entbettungsreaktion tritt um 1 V auf;

2) Die Recyclingkapazität nimmt allmählich ab. Nach 12 bis 20 Zyklen verringert sich die Kapazität auf 400 bis 500 mA · h / g.

Die weitere Vertiefung der Theorie hängt von der Herstellung verschiedener hochreiner, strukturierter Rohstoffe und Kohlenstoffmaterialien und der Etablierung effektiverer struktureller Charakterisierungsmethoden ab. Die japanische Fuji Corporation hat einen neuen Typ eines negativen Elektrodenmaterials auf Zinnverbundoxidbasis für Lithium-Ionen-Batterien entwickelt. Darüber hinaus konzentriert sich die bestehende Forschung hauptsächlich auf einige Metalloxide, und ihre Qualität ist im Vergleich zu kohlenstoffnegativen Elektrodenmaterialien erheblich verbessert. Wie SnO2, WO2, MoO2, VO2, TiO2, LixFe2O3, Li4, Ti5O12, Li4, Mn5O12 usw. [24], jedoch nicht so ausgereift wie Kohlenstoffelektroden. Der reversible Hochspeichermechanismus von Lithium in Kohlenstoffmaterialien umfasst hauptsächlich den Li2-Bildungsmechanismus des Lithiummoleküls, den Mehrschicht-Lithiummechanismus, den Gittermatrixmechanismus, das elastische globalelastische Netzwerkmodell, den Lithiumspeichermechanismus auf der laminaren Seite, den Lithiummechanismus für die Nanometergraphitspeicherung, den Kohlenstoff- Lithium-Wasserstoff-Mechanismus und Mikroporen Lithium-Speichermechanismus. Es wurde lange Zeit festgestellt, dass Graphit als eines der Kohlenstoffmaterialien mit Lithium in Graphit eingebettete Verbindungen (Graphite International Compounds) LiC6 bildet. Diese Theorien befinden sich jedoch noch in der Entwicklungsphase. Die Schwierigkeit, negative Elektrodenmaterialien zu überwinden, ist auch ein Problem des zyklischen Zerfalls der Kapazität, aber aus der Literatur ist bekannt, dass die Herstellung von hochreinen und gut strukturierten mikrostrukturierten Kohlenstoffnegativmaterialien eine Entwicklungsrichtung ist.

Die allgemeinen Verfahren zur Herstellung von negativen Elektrodenmaterialien können wie folgt zusammengefasst werden.

1) Erhitzen von weichem Kohlenstoff auf eine bestimmte hohe Temperatur, um hochgrafischen Kohlenstoff zu erhalten; Die Summenformel der ionischen Lithiumgraphitverbindung lautet LiC6, in der die dynamischen Änderungen des Einbettungs- und Enteinbettungsprozesses von Lithiumionen in Graphit, die Beziehung zwischen der Graphitstruktur und den elektrochemischen Eigenschaften, der Grund für den irreversiblen Kapazitätsverlust und die Verbesserungsmethode untersucht wurden von vielen Forschern. 2) Die Struktur von Hartkohlenstoff, die durch Zersetzung von vernetzten Harzen mit speziellen Strukturen bei hohen Temperaturen erhalten wird, hat eine höhere reversible Kapazität als Graphitkohlenstoff und seine Struktur wird stark von Rohstoffen beeinflusst. Es wird jedoch allgemein angenommen, dass die Nanoporen in diesen Kohlenstoffstrukturen einen größeren Einfluss auf den Gehalt an Lithiuminlays haben. Die Forschung konzentriert sich hauptsächlich auf die Verwendung von Polymeren mit spezieller Molekülstruktur zur Herstellung von Hartkohlenstoff mit mehr Nanometer-Mikroporen [25] [26] [27].

3) Kohlenwasserstoff, hergestellt durch thermische Zersetzung von organischen Stoffen und Polymeren bei hohen Temperaturen [28] [29]. Diese Art von Material hat eine reversible Kapazität von 600 bis 900 mA · h / g und ist daher betroffen, aber seine Spannungsverzögerung und reduzierte zyklische Kapazität sind die größten Hindernisse für seine Anwendung. Die Verbesserung der Herstellungsmethode und die Erklärung des theoretischen Mechanismus werden im Mittelpunkt der Forschung stehen.

4) Der Mechanismus verschiedener Metalloxide ähnelt dem von Kathodenmaterialien [24].

Forscher haben auch festgestellt, dass die Hauptforschungsrichtung darin besteht, Metalloxide neuer Strukturen oder Verbundstrukturen zu erhalten.

5) Als Material mit eingebautem Lithium sind Kohlenstoff-Nanoröhren und Bucky-Ball C60 ebenfalls ein neuer Hot Spot in der aktuellen Forschung und werden zu einem Zweig der Nanomaterialforschung. Die spezielle Struktur von Kohlenstoff-Nanoröhren und Bucky-Ball C60 macht es zur besten Wahl für Lithium-Interkalationsmaterialien mit hoher Kapazität [22] [23] [30]. Theoretisch können Nanostrukturen eine höhere Lithium-Insertionskapazität als derzeit verfügbare Materialien bieten, und ihre Mikrostruktur wurde eingehend untersucht und hat große Fortschritte erzielt, aber wie geeignete Stapelverfahren hergestellt werden können, um eine hervorragende Leistung zu erzielen. Elektrodenmaterialien, dies sollte eine wichtige Forschungsrichtung sein [31] [32] [33].

3, Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung und Entwicklung von aktivem Material für negative Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien weltweit sehr aktiv war und große Fortschritte erzielt hat. Die Kristallstruktur des Materials ist regelmäßig, und die irreversible Änderung der Struktur während des Ladens und Entladens ist der Schlüssel, um Lithiumionenbatterien mit hoher Kapazität und langer Lebensdauer zu erhalten. Die Struktur und Eigenschaften von in Lithium eingebetteten Materialien sind jedoch immer noch das schwächste Glied auf diesem Gebiet. Die Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien ist eine Art Batteriesystem, das ständig aktualisiert wird. Viele neue Forschungsergebnisse in Physik und Chemie werden einen großen Einfluss auf Lithium-Ionen-Batterien haben, wie z. B. Nano-Festkörper-Elektroden, wodurch Lithium-Ionen-Batterien eine höhere Energiedichte und Leistungsdichte aufweisen können. Dies wird den Anwendungsbereich von erheblich erhöhen Lithium-Ionen-Batterien. Kurz gesagt, die Untersuchung von Lithium-Ionen-Batterien ist ein Querschnittsthema, an dem viele Disziplinen wie Chemie, Physik, Materialien, Energie und Elektronik beteiligt sind. Die Fortschritte in diesem Bereich haben bei der chemischen Industrie und der Industrie großes Interesse geweckt. Es ist zu erwarten, dass mit der Vertiefung der Untersuchung der Beziehung zwischen Struktur und Leistung von Elektrodenmaterialien verschiedene normalisierende Strukturen oder positive und negative Materialien mit dotierten Verbundstrukturen, die auf molekularer Ebene entworfen wurden, die Forschung und Anwendung von Lithiumionen kräftig fördern werden Batterien. Lithium-Ionen-Batterien werden nach Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Batterien der zweite Batterietyp mit den besten Marktaussichten und der langfristig schnellsten Entwicklung sein.

Es gibt verschiedene Methoden zur Klassifizierung von Batterien. Die Klassifizierungsmethoden können grob in drei Kategorien unterteilt werden.

Typ I: Geteilt nach Elektrolyttyp, einschließlich: Alkalibatterien, sind Elektrolyte hauptsächlich Batterien, die auf wässrigen Kaliumhydroxidlösungen basieren, wie z. B. alkalische Zinkmanganbatterien (allgemein bekannt als alkalische Manganbatterien oder Alkalibatterien), Cadmiumnickelbatterien, Wasserstoffnickelbatterien , etc.; Säurebatterien, hauptsächlich wässrige Schwefelsäure als Medium, wie Blei-Säure-Batterien; Neutrale Batterien, die Salzlösung als Medium verwenden, wie Zink-Mangan-Trockenbatterien (einige Verbraucher nennen sie auch Säurebatterien), Meerwasser-aktivierte Batterien usw.; Organische Elektrolytbatterien, hauptsächlich Batterien mit organischer Lösung als Medium, wie Lithiumbatterien, Lithiumionenbatterien.

Der zweite Typ: Je nach Art der Arbeits- und Lagermethoden umfasst er: Primärbatterien, auch als Primärbatterien bezeichnet, IE-Batterien, die nicht wieder aufgeladen werden können, wie Zink-Mangan-Trockenbatterien, Lithium-Primärbatterien usw.; Sekundärbatterien, wiederaufladbare Batterien wie Wasserstoff-Nickel-Batterien, Lithium-Ionen-Batterien, Cadmium-Nickel-Batterien usw.; Batterien werden üblicherweise als Blei-Säure-Batterien bezeichnet und sind auch Sekundärbatterien; Brennstoffzellen, dh aktive Materialien, werden der Batterie kontinuierlich von außen zugesetzt, wenn die Batterie arbeitet, wie Wasserstoff- und Sauerstoffbrennstoffzellen; Speicherbatterien, dh Batterien, sind bei der Lagerung nicht direkt Elektrolyten ausgesetzt, und Elektrolyte werden erst nach Verwendung der Batterie hinzugefügt, z. B. Magnesium-Silberchlorid-Batterien, auch als seewasseraktivierte Batterien bezeichnet.

Die dritte Kategorie: Entsprechend den in der Batterie verwendeten positiven und positiven Materialien umfasst sie: Batterien der Zinkserie, wie Zinkmanganbatterien, Zinksilberbatterien usw.; Batterien der Nickel-Serie, wie Cadmium-Nickel-Batterien, Wasserstoff-Nickel-Batterien usw.; Batterien der Blei-Serie, wie Blei-Säure-Batterien; Batterien der Lithium-Serie, Lithium-Magnesium-Batterien; Batterien der Mangandioxid-Serie, wie Zink-Mangan-Batterien, alkalische Mangan-Batterien usw.; Batterien der Luft (Sauerstoff) -Serie, wie z. B. leere Zinkbatterien usw.

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