Vergleich der Vor- und Nachteile zwischen Eisen-Lithium-Batterie und Lithium-Polymer-Batterie.

Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien hängt hauptsächlich von der Struktur und Leistung der internen Materialien der verwendeten Batterien ab. Die internen Materialien dieser Batterien umfassen negative Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Membranen und positive Elektrodenmaterialien. Unter diesen bestimmen die Auswahl und Qualität von positiven und negativen Elektrodenmaterialien direkt die Leistung und den Preis von Lithiumionenbatterien. Daher stand die Erforschung billiger und leistungsstarker positiver und negativer Materialien seit jeher im Mittelpunkt der Entwicklung der Lithium-Ionen-Batterieindustrie. Negative Materialien verwenden im Allgemeinen Kohlenstoffmaterialien, und die derzeitige Entwicklung ist relativ ausgereift. Die Entwicklung positiver Materialien ist zu einem wichtigen Faktor geworden, der die weitere Verbesserung der Leistung und des Preises von Lithium-Ionen-Batterien einschränkt. Bei den derzeit im Handel erhältlichen Lithiumionenbatterien machen die Kosten des Kathodenmaterials etwa 40% der Gesamtbatteriekosten aus. Die Preissenkung des Kathodenmaterials bestimmt direkt die Preissenkung der Lithiumionenbatterie. Dies gilt insbesondere für Lithium-Ionen-Kraftzellen. Beispielsweise benötigt eine kleine Lithium-Ionen-Batterie für ein Mobiltelefon nur etwa 5 Gramm positives Material, während eine Lithium-Ionen-Batterie für einen Bus bis zu 500 Kilogramm positives Material benötigt.

Die Messung der Qualität von positiven Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien kann unter folgenden Gesichtspunkten grob bewertet werden: (1) Positive Elektrodenmaterialien sollten ein höheres Redoxpotential aufweisen, damit die Batterie eine höhere Ausgangsspannung aufweist; (2) Lithiumionen können reversibel in eine große Anzahl von Kathodenmaterialien eingebettet und wieder eingebettet werden, um der Batterie eine hohe Kapazität zu ermöglichen; (3) Beim Einbetten / Entbetten von Lithiumionen sollte sich die Struktur des positiven Elektrodenmaterials nicht oder nur geringfügig ändern, um eine gute Zyklusleistung der Batterie sicherzustellen. (4) Die Änderung des positiven Redoxpotentials beim Einbettungs- / Entbettungsprozess von Lithiumionen sollte so gering wie möglich sein, damit sich die Spannung der Batterie nicht wesentlich ändert, um sicherzustellen, dass die Batterie reibungslos geladen und entladen wird. (5) Das positive Elektrodenmaterial sollte eine hohe Leitfähigkeit aufweisen, damit die Batterie mit großen Strömen geladen und entladen werden kann; (6) Der positive Pol reagiert nicht mit Elektrolyten usw.; (7) Lithiumionen sollten einen großen Diffusionskoeffizienten im Elektrodenmaterial aufweisen, um ein schnelles Laden und Entladen der Batterie zu ermöglichen. Der Preis ist günstig und umweltfreundlich.

Positive Elektrodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind im Allgemeinen Lithiumoxide. Weitere Studien wurden zu LiCoO2-, LiNiO2-, LiMn2O4-, LiFePO4- und Vanadiumoxiden durchgeführt. Leitfähige Polymerkathodenmaterialien haben ebenfalls großes Interesse geweckt.

1, LiCoO 2

LiCoO2 mit Schichtstruktur wird grundsätzlich als positives Material in der aktuellen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie verwendet. Seine theoretische Kapazität beträgt 274 mAh / g und seine tatsächliche Kapazität beträgt etwa 140 mAh / g. Es wird auch berichtet, dass die tatsächliche Kapazität 155 mAh / g erreicht hat. Die Hauptvorteile dieses positiven Materials sind: höhere Betriebsspannung (durchschnittliche Betriebsspannung beträgt 3,7 V), stabile Lade- und Entladespannung, geeignet zum Laden und Entladen mit großem Strom, höhere Energie als, bessere Zirkulationsleistung, hohe Leitfähigkeit, einfacher Herstellungsprozess, einfach zuzubereiten und so weiter. Die Hauptnachteile sind: teuer, schlechte Beständigkeit gegen Überladung, und die Zirkulationsleistung muss weiter verbessert werden.

2, LiNiO 2

LiNiO2 für Lithium-Ionen-Batterie-Positivelektrodenmaterialien hat eine Schichtstruktur ähnlich wie LiCoO2. Seine theoretische Kapazität beträgt 274 mAh / g und seine tatsächliche Kapazität hat 190 mAh / g bis 210 mAh / g erreicht. Der Betriebsspannungsbereich beträgt 2,5 bis 4,2 V. Die Hauptvorteile dieses positiven Materials sind: niedrige Selbstentladungsrate, keine Verschmutzung, gute Verträglichkeit mit einer Vielzahl von Elektrolyten und billiger als LiCoO2. LiNiO2 hat jedoch fatale Nachteile: Die Herstellungsbedingungen von LiNiO2 sind sehr hart, was die kommerzielle Herstellung von LiNiO2 erheblich erschwert; Die thermische Stabilität von LiNiO2 ist schlecht. Im Vergleich zu LiCoO2- und LiMn2O4-Positivelektrodenmaterialien unter den gleichen Bedingungen weist LiNiO2 die niedrigste thermische Zersetzungstemperatur (ca. 200 ° C) und die höchste Wärmefreisetzung auf, was ein großes Sicherheitsrisiko für die Batterie darstellt. LiNiO2 ist anfällig für strukturelle Änderungen beim Laden und Entladen, was zu einer schlechten Zyklusleistung des akkus führt. Diese Mängel machen LiNiO2 zu einem beachtlichen Weg als positives Material für Lithium-Ionen-Batterien.

3, LiMn2O4

LiMn2O4, das in positiven Elektrodenmaterialien für Lithiumionenbatterien verwendet wird, hat eine Spinellstruktur. Seine theoretische Kapazität beträgt 148 mAh / g und seine tatsächliche Kapazität beträgt 90 bis 120 mAh / g. Der Betriebsspannungsbereich beträgt 3 bis 4V. Die Hauptvorteile dieses positiven Materials sind: reich an Manganressourcen, billig, hochsicher und relativ einfach herzustellen. Der Nachteil ist, dass die theoretische Kapazität nicht hoch ist; Das Material löst sich langsam im Elektrolyten auf, dh seine Verträglichkeit mit dem Elektrolyten ist nicht gut; Beim Tiefladen und Entladen neigt das Material zu Gitterverformungen, was zu einem raschen Abfall der Batteriekapazität führt, insbesondere bei Verwendung bei höheren Temperaturen. Um die oben genannten Mängel zu überwinden, wurde in den letzten Jahren eine Schichtstruktur aus dreiwertigem Manganoxid LiMnO2 neu entwickelt. Die theoretische Kapazität dieses Kathodenmaterials beträgt 286 mAh / g, und die tatsächliche Kapazität beträgt etwa 200 mAh / g. Der Betriebsspannungsbereich beträgt 3 bis 4,5 V. Obwohl LiMnO2 im Vergleich zur Spinellstruktur LiMn2O4 eine große Zunahme der theoretischen Kapazität und der tatsächlichen Kapazität aufweist, besteht immer noch ein Problem der strukturellen Instabilität beim Laden und Entladen. Während des Lade- und Entladevorgangs ändert sich die Kristallstruktur wiederholt zwischen der Schichtstruktur und der Spinellstruktur, was zu einer wiederholten Expansion und Kontraktion des Elektrodenvolumens führt, was zu einer Verschlechterung der Batteriezyklusleistung führt. Darüber hinaus hat LiMn O2 auch Auflösungsprobleme bei höheren Betriebstemperaturen. Die Lösung für diese Probleme besteht in dotiertem und oberflächenmodifiziertem LiMnO2. Es wurden gute Fortschritte erzielt.

4, LiFePO4

Das Material hat eine Olivinkristallstruktur und ist eines der beliebtesten in den letzten Jahren untersuchten Lithiumionenbatterie-Kathodenmaterialien. Seine theoretische Kapazität beträgt 170 mAh / g und seine tatsächliche Kapazität beträgt 110 mAh / g ohne Dotierungsmodifikation. Durch Oberflächenmodifikation von LiFePO4 kann seine tatsächliche Kapazität bis zu 165 mAh / g betragen, was bereits sehr nahe an der theoretischen Kapazität liegt. Der Betriebsspannungsbereich beträgt ca. 3,4 V. Im Vergleich zu den oben beschriebenen positiven Materialien ist LiFePO4 hochstabil, sicherer *, umweltfreundlicher und kostengünstiger. Die Hauptnachteile von LiFePO4 sind eine geringe theoretische Kapazität und eine niedrige Leitfähigkeit bei Raumtemperatur. Aus den oben genannten Gründen hat LiFePO4 eine sehr gute Anwendungsperspektive in großen Lithium-Ionen-Batterien. Um jedoch eine starke Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt im gesamten Bereich der Lithium-Ionen-Batterien zu demonstrieren, weist LiFePO4 die folgenden Nachteile auf: (1) Kostengünstiger Wettbewerb durch LiMn2O4-, LiMnO2- und LiNiMO2-positive Materialien; (2) Menschen können geeignetere spezifische Batteriematerialien in verschiedenen Anwendungsbereichen bevorzugen. (3) LiFePO4 hat eine geringe Batteriekapazität; (4) Im High-Tech-Bereich sind die Menschen möglicherweise nicht nur über die Kosten, sondern auch über die Leistung besorgt, beispielsweise über die Anwendung von Mobiltelefonen und Laptops. (5) LiFePO4 muss dringend seine Leitfähigkeit verbessern, wenn es in einer Tiefe von 1 ° C entladen wird, um seine spezifische Kapazität zu erhöhen. (6) In Bezug auf die Sicherheit stellt LiCoO2 die Sicherheitsstandards der aktuellen Industrie dar, und die Sicherheit von LiNiO2 wurde ebenfalls erheblich verbessert. Nur LiFePO4 zeigt eine höhere Sicherheitsleistung, insbesondere bei Elektrofahrzeugen und anderen Anwendungen. Um seinen vollen Wettbewerbsvorteil bei der Sicherheit zu gewährleisten. Die folgende Tabelle vergleicht die Eigenschaften verschiedener Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialien.

Ein Vergleich der Batterieeigenschaften, die von mehreren Materialien erzeugt werden, ist wie folgt

Batteriekomponente Lithium-Eisen-Phosphat-Batterie Lithium-Kobalt-Batterie Lithium-Mangan-Batterie Lithium-Kobalt-Nickel-Batterie

C-LiFePO 4LiCoO2LiMn2O4Li (NiCo) O2

Sicherheit und Umweltschutz erfordern die beste Sicherheit und die meisten umweltfreundlichen Anforderungen sehr schlechte Stabilität, sehr unsicher ist akzeptable Stabilität sehr schlecht, sehr unsicher

Beste akzeptable Anzahl von Zyklen

Energiedichte akzeptabel, akzeptabel, optimal.

Die wirtschaftlichsten und akzeptabelsten Kosten für die langfristige Nutzung

Die Temperaturtoleranz ist ausgezeichnet (-40 ° C ~ 70 ° C können immer noch normal verwendet werden) ist höher als 55 ° C oder niedriger als -20 ° C, der Abfall ist höher als 50 ° C und der schnelle Abfall ist höher als 55 ° C oder weniger als -20 ° C.

Obwohl es viele Arten von positiven Elektrodenmaterialien gibt, die theoretisch als Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können, ist LiCoO2 immer noch das am häufigsten verwendete positive Elektrodenmaterial in kommerziell hergestellten Lithium-Ionen-Batterien. Obwohl die Schichtstruktur von LiNiO2 aufgrund der strukturellen Veränderungen und Sicherheitsprobleme, die durch die thermische Zersetzungsreaktion verursacht werden, eine höhere spezifische Kapazität als LiCoO2 aufweist, besteht ein beträchtlicher Abstand zwischen der direkten Verwendung von LiNiO2 als positivem Material. Das Ersetzen des sichereren LiNi1-xCoxO2 durch Co könnte jedoch in Zukunft eine wichtige Entwicklungsrichtung sein. Die Spinellstruktur LiMn2O4 und die Schichtstruktur LiMnO2 gelten aufgrund ihrer reichen Rohstoffressourcen, offensichtlichen Preisvorteile und hohen Sicherheitsleistung als einer der wettbewerbsfähigen positiven Kandidaten auf dem Markt. Das Problem der strukturellen Instabilität beim Laden und Entladen wird jedoch in Zukunft ein wichtiges Forschungsthema sein. Die tatsächliche Entladekapazität von LiFePO4 mit Olivinstruktur hat etwa 95% der theoretischen Kapazität erreicht und bietet die Vorteile eines niedrigen Preises, einer hohen Sicherheit, einer stabilen Struktur und keiner Umweltverschmutzung. Es wird als ideales Kathodenmaterial in großen Lithiumionenbatterien angesehen.

Die PO-Bindung im lithiumeisenphosphatkristall ist stabil und schwer zu zersetzen. Selbst bei hohen Temperaturen oder Überladungen kollabiert es nicht und erwärmt sich nicht wie Lithiumkobalt oder bildet eine stark oxidierende Substanz, sodass es eine gute Sicherheit bietet. In einigen Berichten wurde darauf hingewiesen, dass im tatsächlichen Betrieb eine kleine Anzahl von Proben bei Akupunktur- oder Kurzschlussexperimenten brannte, jedoch keine Explosion auftrat. Im Überladungsexperiment wurde Hochladung verwendet, die um ein Vielfaches höher war als seine eigene Entladespannung. Es gibt immer noch eine Explosion. Trotzdem hat sich die Überladungssicherheit im Vergleich zu herkömmlichen flüssigen elektrolytischen Lithium-Cobalt-Säure-Batterien erheblich verbessert.

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