Kurzanalyse verschiedener Anodenmaterialien von Lithiumbatterien

Die Hauptanodenmaterialien der Lithiumbatterie sind Zinnbasismaterial, Lithiumbasismaterial, Lithiumtitanat, Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphenmaterialien. Die Energiedichte der Lithiumbatterie des Kathodenmaterials ist einer der Hauptfaktoren, die die Energiedichte der Lithiumbatterie, der Kathodenmaterialien der Lithiumbatterie, der Anodenmaterialien und der Elektrolyte beeinflussen. Die Membran ist als das Vierkernmaterial der Lithiumionenbatterien bekannt. Hier geben wir eine kurze Einführung in alle Arten der Leistung der Anodenmaterialien, die Vor- und Nachteile und die mögliche Verbesserungsrichtung.

Kohlenstoff-Nanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren sind eine Art Graphitierungsstruktur von Kohlenstoffmaterial, das selbst eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit aufweist, gleichzeitig aufgrund seiner geringen kurzen Auslösung der interkalierten Li-Tiefe als Kathodenmaterial im großen Verhältnis beim Laden und Entladen Der Polarisationseffekt ist gering und kann die Lade- und Entladeeigenschaften des akkus verbessern.

Direkt jedoch sind Kohlenstoffnanoröhren als Lithiumbatteriekathodenmaterial nicht reversibel kapazitiv hoch, die Spannungshysterese- und Entladungsplattform ist nicht offensichtlich. Mit einfachen Filtern wie Ng wurden einwandige Kohlenstoffnanoröhren hergestellt, die direkt als Kathode dienen Material, seine erste Entladekapazität beträgt 1700 mah / g, die reversible Kapazität beträgt nur 400 mah / g.

Abbildung 1 Kohlenstoffnanoröhren-Kathodenmaterialien

Eine weitere Anwendung von Kohlenstoffnanoröhren in der Kathode ist die Verwendung anderer Anodenmaterialien (Graphit, Lithiumtitanat, Zinn, Silizium usw.) unter Verwendung seiner einzigartigen Hohlstruktur und der Vorteile einer hohen Leitfähigkeit und einer großen spezifischen Oberfläche als Träger zur Verbesserung Die Leistung anderer Anodenmaterialien. Durch chemische Gasphasenabscheidungsmethode, wie Guo in expandierten Graphitlöchern in situ Wachstum von Kohlenstoffnanoröhren, synthetisiertes expandiertes Graphit / Kohlenstoffnanoröhren-Verbundmaterial wurde synthetisiert, beträgt die reversible Kapazität zum ersten Mal 443 mah / g In einem Lade- und Entladezyklus von 1 c nach 50-facher Geschwindigkeit kann die reversible Kapazität 259 mah / g erreichen. Die Hohlstruktur von Kohlenstoffnanoröhren und erweiterten Graphitlöchern bietet einen weiten Bereich der Lithiumaktivität, und diese Struktur kann den erzeugten Materialvolumeneffekt puffern beim Laden und Entladen.

Graphen

Im Jahr 2004 fanden die Forscher der Universität Manchester heraus, dass Graphenmaterialien zum ersten Mal und mit einem Nobelpreis ausgezeichnet wurden. Graphhen ist ein aus Kohlenstoff sechsgliedriger Ring aus neuen Kohlenstoffmaterialien gebildeter, hat viele hervorragende Eigenschaften, wie z. B. eine große spezifische Oberfläche (etwa 2600) m2g - 1), hoher Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (ca. 5300 wm - 1 k - 1), hohe Elektronenleitfähigkeit (Elektronenmobilität für 15000 s cm2v - 1-1) und gute mechanische Eigenschaften, bezeichnet als LithiumionenbatterienMaterialien und hat viel angezogen Beachtung.

Graphen direkt als Lithiumbatterie-Kathodenmaterial weist eine sehr gute elektrochemische Leistung auf. Das Labor unter Verwendung von Hydrazinhydrat als Reduktionsmittel, die Herstellung des Dschungels der Graphenmorphologie und sein Charakter sowohl von hartem als auch weichem Kohlenstoffkohlenstoff und einem Spannungsbereich von über 0,5 V zeigen die Eigenschaften des Kondensators.

Abbildung 2 Graphenanodenmaterialien

Graphenanodenmaterialien unter 1 c Entladungsrate, die reversible Kapazität beträgt 650 mah / g, zum ersten Mal nach 100-facher Lade- und Entladezykluskapazität kann 460 mah / g erreicht werden.Graphen kann auch als leitfähiges Mittel, die Anodenmaterialien und verwendet werden andere Verbundwerkstoffe verbessern die elektrochemische Leistung von Anodenmaterialien. Wie zai-flache Gruben durch Ultraschalldispersion von Fe3O4 / Graphen-Verbundwerkstoffen, die mit einem Strom von 200 ma / g Dichte hergestellt wurden, um Elektrizität zu verteilen, beträgt die Kapazität nach 50 Zyklen 1235 mah / g) In den Stromdichten von 5000 s und 10000 ma / g zeigte die Stromverteilung, nachdem eine Kapazität von 700 Zyklen 450 mah / g und 315 mah / g erreichen kann, eine hohe Kapazität und eine gute Zyklusleistung.

Lithiumtitanat

Spinellithiumtitanat als anodisches Anodenmaterial hat folgende Vorteile:

1) vor und nach dem Abheben des interkalierten Li-Lithiumtitanats nahezu "Null" (um die Parameter der interkalierten Li-Kristallzellen vor und nach "a von 0,836 nm bis nur 0,837 nm abzunehmen).

2) das interkalierte Li-höhere Potential (1,55 V), vermeiden Sie "Lithiumdendrit", hohe Sicherheit;

3) hat eine flache Spannungsplattform;

4) chemischer Diffusionskoeffizient und Coulomb-Effizienz.

Viele Vorteile von Lithiumtitanat bestimmen seine ausgezeichnete Zyklusleistung und hohe Sicherheit, jedoch ist seine elektrische Leitfähigkeit nicht hoch, die Abschwächung der Lade- und Entladekapazität bei großen Strömen ist schwerwiegend. In der Regel werden Oberflächenmodifikationen oder Dotierungen vorgenommen, um die Leitfähigkeit zu verbessern ) 2 als Magnesiumquelle, hergestellt nach der Festphasenmethode von Magnesium 2 + dotiertem Lithiumtitanat, zeigen, dass das Dotieren von Magnesium 2 + die Spinell-Lithiumtitanat-Kristallstruktur und das dotierte Material nach einer besseren Dispersion, dessen spezifische Kapazität unter, nicht zerstörte Die Bedingung einer Entladungsrate von 10 c kann 83,8 mAh / g erreichen, ist das 2,2-fache derjenigen ohne Dotierung und keine offensichtliche Dämpfung nach 10-facher Lade- und Entladezykluskapazität durch Wechselstromimpedanztest zeigt, dass das dotierte Material nach der Ladung Der Übertragungswiderstand ist offensichtlich verringert. Zheng durch ein Hochtemperatur-Festphasenverfahren wie Lithium-Li 2 CO 3 und Zitronensäure wurden jeweils verwendet Als Lithiumquelle wurde reines Phasenlithiumtitanat hergestellt und das kohlenstoffbeschichtete Lithiumtitanat.

Abbildung 3 Lithiumtitanat-Kathodenmaterialien

Experimente zeigen, dass die Kohlenstoffbeschichtung von Lithiumtitanat mit kleinerer Partikelgröße und guter Dispersion bessere elektrochemische Eigenschaften zeigte, hauptsächlich aufgrund der Kohlenstoffbeschichtung, die die Lithiumtitanatpartikel auf der Oberfläche der elektronischen Leitfähigkeit verbessern kann, und eine kleinere Partikelgröße das Li + verringert Diffusionsweg.

Materialien auf Siliziumbasis

Silizium als Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterial ideal, hat folgende Vorteile:

1) Silizium kann mit Lithium eine Li4.4 Si-Legierung bilden, wobei die Lithiumspeichertheorie bis zu 4200 mah / g (mehr als das 10-fache des angegebenen Graphits) beträgt;

2) das interkalierte Silizium-Li-Potential (0,5 V) ist geringfügig höher als das von Graphit, wenn die Aufladung schwierig ist, "Lithiumdendrit" zu bilden;

3) Silizium und Elektrolyt geringe Reaktivität, organische Lösungsmittel eingebettet Phänomen wird nicht auftreten.

Silizium, jedoch wird die Elektrode beim Laden und Entladen der Zyklusleistung und Kapazitätsdämpfung auftreten, es gibt hauptsächlich zwei Gründe:

1) Silizium und die Erzeugung einer Lithium-Li4,4-Si-Legierung, Volumenexpansion beträgt bis zu 320%, die enorme Volumenänderung führt leicht dazu, dass sie aus den aktiven Materialien herausfällt und somit den elektrischen Kontakt zwischen ihnen verringert, was zu Leistungsabfällen des Elektrodenzyklus führt schnell;

2) Die LiPF6-Elektrolytzersetzung von Spuren-HF-Ätzsilicium verursachte die Dämpfung der Siliziumelektrodenkapazität.

Um die elektrochemische Leistung der Siliziumelektrode zu verbessern, gehen Sie normalerweise folgendermaßen vor: Herstellung von Nanometer-Siliziummaterialien, Legierungsmaterialien und Verbundmaterialien. Wie Ge das chemische Ätzen der mit Bor dotierten Silizium-Nanodrähte, die durch Laden und Entladen hergestellt werden Der Stromfluss in der 2 a / g, Zirkulationskapazität nach 250 Wochen kann immer noch 2000 mah / g erreicht werden, zeigte eine ausgezeichnete elektrochemische Leistung, da der in Lithium-Off-Silizium-Nanodrähte eingebettete Mechanismus die Volumenexpansion im Zirkulationsprozess wirksam verringern kann. Liu wurde durch eine Hochenergie-Kugelmühle wie die Si-NiSi-Ni-Komplexe hergestellt, wobei dann HNO3-gelöste Verbindungen von Ni-Elementar, die poröse Struktur von Si-NiSi-Verbindungen, verwendet wurden.

Abbildung 4 Anodenmaterialien auf Siliziumbasis

Durch die XRD-Charakterisierung hat das existierende NiSi-Legierungssystem nicht nur eine reversible Kapazität als Anodenmaterial bereitgestellt, sondern auch mit Partikeln innerhalb der Pore, Puffervolumenausdehnung im Prozess des Siliziums im Lade- und Entladezyklus, Verbesserung der Zyklusleistung der Siliziumelektrode Bei Verwendung von Phenolharz als Kohlenstoffquelle, beispielsweise in einer Argonatmosphäre bei 700 ° C Hochtemperaturpyrolyse, zeigt die Herstellung eines Si / C-Verbundmaterials vom Core-Shell-Typ nach 10 Zyklen einer irreversiblen Kapazität der Verbindung von 1029 mah / g immer noch, dass Na2CO3, das mit Phenolharz kovalente Bindungen zwischen der Siliziumoberfläche bildet und dann bei hohen Temperaturen reißt, kann den Kontakt zwischen Silizium und Pyrolysekohlenstoff verbessern, um die Zirkulation von Anodenmaterialien zu verbessern und den irreversiblen Kapazitätsverlust zu verringern.

Zinn-Legierung

SnCoC in Anodenmaterialien aus Zinnlegierungen ist eine erfolgreichere Kommerzialisierung von Materialien, wobei die drei Elemente Sn, Co und C auf atomarer Ebene gemischt werden, nicht die Kristallisationsverarbeitung, und das Material kann den Prozess des Ladens und Entladens der Volumenänderung des Elektrodenmaterials wirksam hemmen, verbessern die Zykluslebensdauer. Im Jahr 2011 kündigte Japans SONY von Sn Serie von amorphem Material als Kapazität von 3,5 18650 zylindrische Batteriekathode AH an. Die theoretische spezifische Kapazität von Elementarzinn beträgt 994 mah / g, kann mit anderen Metallen intermetallische Verbindungen wie Li bilden, Si, Co. So wie Xue eine elektrische Beschichtung verwendet, wurde zuerst die dreidimensionale poröse Struktur des Cu-Filmträgers und dann durch galvanische Abscheidung einer Sn-Co-Legierung in einer Cu-Dünnschichtträger-Oberflächenlast hergestellt, die durch eine dreidimensionale poröse Struktur hergestellt wurde aus Sn - Co - Legierung.

Das Material mit der ersten entladungsspezifischen Kapazität von 636,3 mAh / g, Coulomb-Effizienz erreichte 83,1%, zum ersten Mal nach 70-facher Lade- und Entladezyklus-spezifischer Kapazität kann immer noch 511,0 mAh / g erreicht werden. Wang, wie Graphit als Dispergiermittel, SnO / das SiO und das Gemisch aus metallischem Lithium als Reaktanten unter Verwendung einer mechanischen Hochenergie-Kugelmühle und der Nachwärmebehandlung, Herstellung des Graphits, der gleichmäßig in der Matrix der Sn / Si-Legierung dispergiert ist, das Material nach 200-maligem Laden und Entladen Zyklus kann die reversible Kapazität 574,1 mAh / g erreichen, ist immer noch besser als einzelne SnO- oder SiO-Anodenmaterialien.

Zinnoxid

Da SnO2 eine hohe theoretische spezifische Kapazität (781 mah / g) aufweist, wurde viel Aufmerksamkeit auf das Problem gelegt. Es gibt jedoch einige Probleme bei der Anwendung: erstens die irreversible Kapazität groß, das interkalierte Li, wenn ein großer Volumeneffekt vorliegt der Volumenexpansion (250% ~ 300%), leicht im Kreislauf wieder zu vereinen usw.

Untersuchungen zeigen, dass durch die Herstellung von Verbundwerkstoffen SnO2-Partikel effektiv zusammengehalten werden können, gleichzeitig aber auch der Effekt des interkalierten Li-Volumens gemindert werden kann, die elektrochemische Stabilität des SnO2.Zhou durch chemische Abscheidung und Hochtemperatursintern verbessert werden kann, wie z Bei der Herstellung von SnO2 / Graphit-Verbundmaterial kann die spezifische Kapazität unter der Stromdichte von 100 ma / g mehr als 450 mah / g erreichen, unter der Stromdichte von 2400 ma / g die reversible spezifische Kapazität von mehr als 230 mah / g zeigen die experimentellen Ergebnisse, dass der Graphit als Träger nicht nur SnO2-Partikel gleichmäßiger streuen und Partikel effektiv zusammenhalten kann, sondern auch die Zyklenstabilität des Materials verbessert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in den letzten Jahren Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial in Richtung hoher Kapazität, langer Lebensdauer und niedriger Kosten. Metall (Zinn, Silizium) -Material in hohem Volumen gleichzeitig mit der Volumenänderung aufgrund der Kapazität von Das Metalllegierungsmaterial ist proportional zur Volumenänderung, und die tatsächlichen Batterien erlauben keine großen Volumenänderungen (normalerweise weniger als 5%), so dass seine Fähigkeit, in der praktischen Anwendung zu spielen, durch das größere, das Lösen oder Verbessern des Volumens begrenzt ist Der Effekt der Volumenänderung wird zur Richtung der Forschung und Entwicklung von Metallbasismaterial.

Lithiumtitanat hat aufgrund seiner geringen Energiedichte und seines Hochspannungsanodenmaterials ein großes Potenzial, da es eine geringe Volumenänderung, eine lange Lebensdauer sowie eine gute Sicherheit und andere bedeutende Vorteile im Bereich von Elektrofahrzeugen und anderen großen energiespeichern aufweist LiMn1.5 Ni0.5 passend zur Verwendung, m1 ist hohe Sicherheit in der ZukunftPower-BatterieDie Entwicklungsrichtung.

Kohlenstoffnanomaterialien (Kohlenstoffnanoröhren und Graphen) mit spezifischer Oberfläche, hoher elektrischer Leitfähigkeit, chemischer Stabilität usw. haben potenzielle Anwendungen in neuen Lithiumionenbatterien. Kohlenstoffnanomaterialien als Anodenmaterialien allein sind jedoch die hohe irreversible Kapazität, Spannungshysterese, Anodenmaterialien und andere Verbundwerkstoffe sind die praktische Wahl.

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