Alle Festkörper-Lithiumbatterien werden im Fahrzeug in Massenproduktion hergestellt

In jüngster Zeit haben Wissenschaft und Industrie hohe Erwartungen an Festkörper-Lithiumbatterien gestellt. Festkörperbatterieunternehmen entstehen im In- und Ausland. Eine Reihe weltberühmter Automobilunternehmen hat 2017 angekündigt, dass alle Festkörper-Lithiumbatterien von 2020 bis 2025 in Fahrzeugen in Massenproduktion hergestellt werden.

Viele Forscher und Unternehmen sind der Meinung, dass im Vergleich zu Lithium-Lithium-Schwefel-, Leer-, Aluminium- und Magnesiumbatterien und Graphenbatterien keine Festkörper-Lithiumbatterien der potentiellste alternative Kandidat für die vorhandene Lithium-Ionen-Batterietechnologie mit hoher Energiedichte, ihre Energie, sind Es wird erwartet, dass die Dichte das 2- bis 5-fache der Dichte der vorhandenen Lithium-Ionen-Batterie beträgt. Zyklus und Lebensdauer sind länger, Verhältnis, höhere Leistung und können im Wesentlichen die Sicherheitsprobleme der vorhandenen Flüssigelektrolyt-Lithium-Ionen-Batterie lösen.

Wenn diese Ziele erreicht werden, müssen Festkörper-Lithiumbatterien die vorhandene Lithium-Ionen-Batterietechnologie stören. In diesem Artikel werden die technischen Schwierigkeiten und Herausforderungen von Festkörper-Lithiumbatterien analysiert.

Kurze Platine eines Flüssigelektrolyt-lithium-ionen-akkus

Die Volumenenergiedichte von Zellen für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik hat 730 W · h / l erreicht und wird sich in naher Zukunft auf 750 ~ 800 W · h / l entwickeln. Die entsprechende Massenenergiedichte beträgt 250 bis 300 W · h / kg und die Zirkularität beträgt das 500 bis 1000-fache. Die Massenenergiedichte der Leistungsbatterie hat 240 W · h / kg erreicht, und die Volumenenergiedichte hat 520 ~ 550 W · h / l erreicht. In naher Zukunft wird es sich in Richtung 600 bis 700 W · h / l entwickeln, und die Massenenergiedichte wird sich in Richtung 300 W · h / kg entwickeln, und die Zirkulation wird mehr als das 2000-fache erreichen. Die Lebensdauer von energiespeicherbatterien hat das 7000- bis 10000-fache erreicht und entwickelt sich jetzt zum 12000- bis 15000-fachen. Für die Lithium-Ionen-Batterie mit immer höherer Energiedichte und flüssigem Elektrolyten wurden zwar verschiedene Verbesserungsmaßnahmen unter den Gesichtspunkten Material, Elektrode, Zelle, Modul, Energiemanagement, Wärmemanagement, Systemdesign und anderen Aspekten der Sicherheit ergriffen Das Problem ist immer noch sehr ausgeprägt, und es ist schwierig, ein Auslaufen der Hitze vollständig zu vermeiden. Darüber hinaus weist die Flüssigelektrolyt-Lithiumionen-Batteriezelle auch den folgenden Hauptmangel auf.

(1) SEI-Film wächst weiter. Aufgrund des nicht dichten Wachstums des SEI-Films und der großen Volumenexpansion und -kontraktion von positiven und negativen Elektrodenmaterialien im Zirkulationsprozess können einige Komponenten des SEI-Films im Elektrolyten gelöst werden, was zu einem kontinuierlichen Wachstum des SEI-Films auf dem Film führt positive und negative Elektrodenoberfläche, die zur Abnahme des aktiven Lithiums, zur kontinuierlichen Erschöpfung des Elektrolyten, zur kontinuierlichen Zunahme des Innenwiderstands und des Drucks und zur Ausdehnung des Elektrodenvolumens führt.

(2) Auflösung des Übergangsmetalls. Für Oxidanodenmaterial mit Schicht- und Spinellstruktur ist die Anode im Ladezustand im Hochoxidationszustand anfällig für die Wiederherstellung des Phasenübergangs, die Übergangsmetallionen im Gerüst nach Wechselwirkung mit dem Lösungsmittel bei der Elektrolytfällung zum Elektrolyten und die katalytische Ausbreitung auf die Kathode SEI weiteres Wachstum, gleichzeitig wurde die Oberflächenstruktur des Anodenmaterials zerstört, der Widerstand erhöht, der irreversible Kapazitätsverlust. Aufgrund der Rolle des Übergangsmetalls, das das Wachstum von SEI-Filmen katalysiert, liegen die Anforderungen an freie magnetische Metalle aller Materialien in der Batterie unter Dutzenden von PPB-Werten, was auch zu einer Erhöhung der Kosten für Batteriematerialien führt.

(3) Sauerstoffentwicklung aus Anodenmaterialien. Bei den Schichtoxiden mit hoher Kapazität neigt der Sauerstoff im positiven Elektrodengitter beim Laden auf eine höhere Spannung dazu, Elektronen zu verlieren, die in Form von freiem Sauerstoff aus dem Gitter ausgefällt und mit dem Elektrolyten oxidiert werden, was zu einem thermischen Durchgehen führt . Die Anodenmaterialstruktur wird ebenfalls allmählich zerstört.

(4) Sauerstoffanreicherung des Elektrolyten. Um die Kapazität von Anodenmaterialien zu verbessern, ist es notwendig, auf eine hohe Spannung aufzuladen, um mehr Lithium loszuwerden. Gegenwärtig kann die Elektrolytlösung für lithiumkobaltoxid auf 4,45 V und ternäre Materialien auf 4,35 V aufgeladen werden. Wenn der Elektrolyt weiterhin auf eine höhere Spannung geladen wird, wird der Elektrolyt oxidiert und zersetzt, und auf der Oberfläche der Anode tritt eine irreversible Phasenänderung auf.

(5) Lithiumentwicklung. Aufgrund der langsamen inneren Dynamik der in die negative Elektrode eingebetteten Materialien fällt Lithiummetall unter Überladung bei niedriger Temperatur oder Hochstromladung direkt auf der Oberfläche der negativen Elektrode aus, was zu Lithiumdendrit führen und einen Mikrokurzschluss verursachen kann. Das hochaktive Lithiummetall reagiert direkt mit dem flüssigen Elektrolyten, um das aktive Lithium zu reduzieren und den Innenwiderstand zu erhöhen.

(6) Hochtemperaturfehler. Im voll geladenen Zustand befindet sich die negative Elektrode im reduzierten Zustand und die positive Elektrode im Zustand hoher Oxidation. Gleichzeitig zersetzen sich Lithiumsalze bei hoher Temperatur spontan und katalysieren die Elektrolytreaktion. Diese Reaktionen können zu außer Kontrolle geratener Hitze führen. Hohe Temperaturen können von externen Quellen sowie von internen Kurzschlüssen, elektrochemischen und chemischen exothermen Reaktionen sowie Hochstrom-Joule-Wärme herrühren.

(7) Volumenerweiterung. Nach der Verwendung einer Silizium-Negativelektrode mit hoher Kapazität oder nach einer Hochtemperatur-Gasexpansion wird ein Langzeitzyklus aufgrund der kontinuierlichen Zersetzung des Elektrolyten, des SEI-Wachstums und der Reaktionsgasproduktion sowie der Volumenexpansion der negativen Elektrode selbst durchgeführt Kontraktion, die Volumenexpansion der Softpack-Zelle übersteigt die Anwendungsanforderungen innerhalb von 10%.

Wenn die Festkörperbatteriezelle erfolgreich entwickelt werden kann, kann ihre Hochtemperatursicherheit und ihr thermisches Durchgehen verbessert werden, wodurch das Kühlsystem vereinfacht oder beseitigt und das Wärmemanagementsystem optimiert wird. Das interne serielle Design kann auch übernommen werden, um das Gewicht der Kollektorflüssigkeit weiter zu sparen. Verglichen mit der Flüssigelektrolytzelle mit der gleichen Energiedichte ist die Energiedichte des Systems höher und das Abnahmeverhältnis der Energiedichte der Festelektrolytzelle zum System sollte niedriger sein. Aus Sicht des Batteriesystems kann daher die Energiedichte des Vollfestbatteriesystems geringfügig höher sein als die des Flüssigelektrolytbatteriesystems für das System mit den gleichen positiven und negativen Materialien.

Einer der wichtigsten Treiber für die Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien ist die Sicherheit. Die Batteriesicherheit ist für alle Anwendungen von größter Bedeutung. Das Kernproblem der Batteriesicherheit besteht darin, ein thermisches Durchgehen und eine Wärmediffusion zu verhindern. Die Bedingung für das Durchgehen der Wärme ist, dass die Wärmeerzeugungsrate höher ist als die Wärmeableitungsrate. Wenn daher die Zelle bei hoher Temperatur arbeiten kann oder die Anfangstemperatur des thermischen Durchgehens signifikant höher als die normale Betriebstemperatur der Zelle ist, sollte die Sicherheit der Zelle in Bezug auf Überhitzung, großen Strom und internen Kurzschluss erheblich verbessert werden Schaltkreis. Für die Sicherheitsanforderungen beim Nadeln und Extrudieren ist die Lade- und Entladetiefe (SOC) der Zelle erforderlich, und es tritt keine heftige Oxidationsreaktion oder andere exotherme chemische und elektrochemische Reaktion aufgrund eines internen Kurzschlusses und der Begegnung mit Sauerstoff, Wasser und Stickstoff auf in der Luft während des gesamten Lebenszyklus.

Die chemische und elektrochemische Stabilität von Sulfiden und Polymeren muss weiter verbessert werden. Tatsächlich wurde im Vergleich zu Flüssigelektrolytzellen nicht berichtet, dass die umfassende elektrochemische Leistung von Vollelektrolyt-Vollfeststoff-Lithiumbatteriezellen höher ist als die von Flüssigelektrolytzellen. Derzeit liegt der Forschungsschwerpunkt noch auf der Lösung der Eigenschaften von Zirkularität und Vielfachheit, und es gibt nur sehr wenige Testdaten zum thermischen Durchgehen und zum thermischen Diffusionsverhalten aller Arten von Vollfeststoff-Lithiumbatterien. Solidstatebatter * und [(Sicherheit) oder (Thermalrunaway)] wurden als Schlüsselwörter für die Suche in der Kernsammlung von WebofScience verwendet, und 2017 wurden 138 Literaturergebnisse erhalten.

Nach dem Screening wurde in nur 9 Artikeln die Sicherheit von Festkörperbatterien erwähnt. Die meisten Sicherheitstests bestanden jedoch darin, den Elektrolyten mit Flammen zu verbrennen oder die Änderung der Mikrostruktur von Materialien unter Erwärmungsbedingungen zu untersuchen oder die Grenzfläche zwischen Lithiummetall und Festkörperelektrolyt zu stärken , ohne allgemeine Sicherheitstests an Festkörperbatterien durchzuführen. ZAGHIB und Polymerelektrolyt werden analysiert und mit der Heizrate des thermischen Durchgehens von flüssigem Elektrolyten verglichen. Japans mit Toyota Lanthan dotiertes Lithiumniobat wurde von DSC untersucht. Zirkoniumsauerstoff erzeugt das Wärmeverhalten aller Festkörper-Lithiumionenbatterien schlussfolgerte, dass alle Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien die Sicherheit verbessern können (auf flüssige Wärmeausbeute 30% reduziert), aber nicht absolut sicher sind. Ob eine vollfeste Lithium-Ionen-Batterie die Eigensicherheit einer Lithium-Ionen-Batterie wirklich löst, muss natürlich noch eingehender untersucht und Daten gesammelt werden.

Es wird der Schluss gezogen, dass im gesamten Lebenszyklus aller Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien und Festkörper-Metall-Lithium-Batterien die Sicherheit zu früh und basierend auf den verschiedenen Festkörper-Elektrolyt-Festkörpern erheblich besser ist als die des optimierten flüssigen Elektrolyten von Lithium-Ionen-Batterien Lithiumbatterien können auch erhebliche Unterschiede in der Sicherheit aufweisen, erfordern das System zu studieren. Wenn Festkörperbatterien und Hochtemperaturzykluseigenschaften von thermischem Durchgehen bei hohen Temperaturen flüssigen Elektrolytbatterien überlegen sind, können sie auf Modul- und Systemebene durch das Energiemanagement, das Wärmemanagementsystem, das thermische Durchgehen und die thermische Diffusion von Batterien im Vergleich zu weiter verhindern Die flüssigen Elektrolytbatterien, Schutzisolationsmaterialien, können besser in Modul und System eingesetzt werden, nicht so, sowohl die Kühl- als auch die Wärmeisolation.

Dynamik, flüssiger Elektrolyt der Lithium-Ionen-Batterieelektrode Der elektrochemische Reaktionsbereich ist die tatsächliche Geometriegröße von zehn bis Hunderten von flüssigen Elektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit, relativ geringem Kontaktwiderstand, wodurch der Innenwiderstand der Lithium-Ionen-Batterie von Batterien bei 10 ~ 15 mΩ / ein. h, solche Arbeiten bei Hochstrom, niedrigem Batteriefieber. Der Innenwiderstand der Zelle umfasst hauptsächlich eine negative Elektrode, eine Festelektrolytmembran und eine positive Elektrode. Die Verbesserung der Ionenleitfähigkeit und die Verringerung der Filmdicke sind wirksame Möglichkeiten, um den Oberflächenwiderstand jedes Teils zu verringern. Gegenwärtig können nicht alle Teile der Festkörper-Lithiumbatterien bei Raumtemperaturoberflächenwiderstand auf das Niveau von 10 mΩ / cm² reduziert werden.

Der Innenwiderstand ist zu hoch, was zu einer Erwärmung der Zelle beim Laden führt, was für das Anwendungsfeld ohne Kühlsystem nicht akzeptabel ist, aber die Anforderungen an die Arbeitstemperatur sind nicht zu hoch, wie z. B. Mobiltelefone oder Tablet-Computer und andere Unterhaltungselektronik. Der schwierigste Aspekt von Festkörperelektrolytzellen besteht darin, dass sich die Partikel während des Lade- und Entladevorgangs positiver und negativer Elektroden im Volumen ausdehnen und zusammenziehen und der physikalische Kontakt zwischen der Festelektrolytphase und den Partikeln positiver und negativer Elektroden besteht Wirkstoffe können sich verschlechtern. Wenn Lithiummetall oder Verbundmaterialien, die Lithiummetall enthalten, für die negative Elektrode verwendet werden, besteht eine weitere große Herausforderung darin, dass bei hoher Stromdichte Lithiummetall bevorzugt an der Grenzfläche ausgefällt wird und wenn das ausgefällte Lithium die Grenzfläche einnimmt, die elektrochemische Reaktion Fläche wird schrittweise reduziert. Die Entwicklungskinetik ist hervorragend. Im Falle eines vollständigen SOC steht das Material- und Elektrodendesign der Lithiumabscheidungsstellen in der Elektrode anstelle der Hauptschnittstelle im Mittelpunkt und die Schwierigkeit zukünftiger Forschung. Aufgrund des aktuellen Forschungsfortschritts erfordert die Entwicklung von Festkörper-Lithiumbatterien immer noch eine Vielzahl umfassender Lösungen, um die dynamischen Eigenschaften jedes Teils zu verbessern.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Energiedichte aller Festkörperbatterien niedriger ist als die von Flüssigelektrolytzellen. Nur wenn Lithiummetall als negative Elektrode in der Zelle verwendet wird, kann die Energiedichte der Zelle signifikant höher sein als die von Graphit oder Silizium. Gegenwärtig hat die Energiedichte der Lithium-Ionen-Batteriezelle das Niveau von 300 W · h / kg, 730 W · h / l erreicht. Wenn die Energiedichte höher als das Zweifache ist, muss die Energiedichte der Batteriezelle 600 W · h / kg und 1460 W · h / l erreichen. Obwohl dies möglich ist, geht es weit über das Niveau der vorhandenen Technologie hinaus, geschweige denn fünfmal. Darüber hinaus ist es von keiner praktischen Bedeutung, einfach die Energiedichte der Zelle zu betonen. Die eigentliche Anwendung muss mehr als 8 bis 20 technische Parameter gleichzeitig erfüllen, daher ist es von praktischerer Bedeutung, die Energiedichte der Zelle unter dieser Voraussetzung zu diskutieren. Obwohl die Energiedichte der Lithiummetallbatterie laut Berechnung erheblich höher sein kann als die der Lithiumionenbatterie, erfüllen die Recycling-, Sicherheits- und Multiplikatoreigenschaften der Lithiummetallanode die Anwendungsanforderungen bei weitem nicht.

Für Strom- und Energiespeicheranwendungen von vollfesten Lithiumbatterien mit großer Kapazität (mehr als 10 A · h) hat derzeit kein Unternehmen die elektrochemischen Daten und Sicherheitsdaten des Systems gemeldet. Es gibt nur wenige Studien zum thermischen Durchgehen und zum thermischen Diffusionsverhalten, geschweige denn zum Sicherheitsverhalten des gesamten Lebenszyklus. Über die elektrochemischen Leistungs- und Sicherheitsvorteile wurden bisher keine Untersuchungen durchgeführt und die Validierung ist klar, und es kann sich um die Massenproduktion des Materialsystems, der Elektroden und der Elektrolytmembranmaterialien handeln, das Design von Batterien und intelligenten Fertigungsanlagen ist noch nicht ausgereift, das entsprechende BMS , Wärmemanagementsystem hat sich noch nicht entwickelt, die Batterie unter der Bedingung der Kostenrechnung war nicht klar, Propaganda Festkörper-Lithium-Batterie kann kurzfristig eine Kommerzialisierung realisieren, insbesondere die Verwendung direkt am Elektroauto ist wahrscheinlich mehr Traum als Realität. Selbst in Japan gibt es unterschiedliche Meinungen darüber, ob und wann Festkörper-Lithiumbatterien mit Sulfidelektrolyten endlich eingesetzt werden können. Die Herausforderungen, die sich aus der Luftempfindlichkeit, der leichten Oxidation, dem hohen Grenzflächenwiderstand und den hohen Kosten ergeben, lassen sich nicht einfach in kurzer Zeit vollständig lösen, und es sind noch kontinuierliche Anstrengungen erforderlich.

Nach dem Ergebnis der Berechnung hat das Ergebnis der Anodenmaterialien mit Lithiumbatterien mehr Raum zur Verbesserung der Energiedichte, dauert von der Lösung von Metalllithium- und Elektrolytseitenreaktionen und erhöht die Sicherheit der Lithiummetallanode, Festkörperlithiumbatterien sollte einen Vorteil haben, ist die Zukunft der Batterietechnologie weiter zu untersuchen, lohnt sich zu träumen, muss so schnell wie möglich hart arbeiten, um die hervorragende Gesamtleistung, Sicherheit und gleichzeitig den Preis zu finden die Gleichgewichtslösung der Anwendungsanforderungen.

Wie erwartet, um eine schnellere Übergangstechnologie zu erreichen, kann ein gemischter fester flüssiger Elektrolyt, der eine kleine Menge eines flüssigen Elektrolyten einer Lithiumionenbatterie, einer Li-Ionen-Festmetall-Lithiumbatterie, enthält, allmählich auf der Basis des vorhandenen flüssigen Elektrolyten einer Lithiumionenbatterie basieren Verbesserung der Sicherheit, Energiedichte und Aufrechterhaltung einer hohen Rate, eines geringen Widerstands und niedriger Kosteneigenschaften, daher wird erwartet, dass sie schnell auf den Markt kommen. Natürlich ist der gemischte feste flüssige Elektrolyt einer Lithiumbatterie mit vielen technischen Herausforderungen konfrontiert, die es zu überwinden gilt einzeln. Ob es sich um eine gemischte Fest-Flüssig-Elektrolyt-Batterie oder eine Voll-Fest-Batterie handelt, ob es sich um Lithium-Ionen- oder Lithium-Metall-Batterien handelt, es wird letztendlich den Markt gewinnen. Um die sich noch entwickelnde Lithium-Ionen-Batterietechnologie zu übertreffen, müssen solide Grundlagenforschung und unermüdliche Anstrengungen sowie zielgerichtete und effektive innovative Lösungen durchgeführt werden.

Verifikationstechnik kann erfolgreich sein, kann sich offensichtlich nicht auf das neue Konzept stützen, das in den Top-Fachzeitschriften veröffentlicht wird, eine große Anzahl von Referenzen und Patentanmeldungen und -genehmigungen, kann nicht nur einen einzigen technischen Indikator für den Fortschritt sehen, sondern muss von alle Arten von Kunden und strenge, Standard und System der Testdaten von Drittanbietern und die praktische Anwendung.

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