Die Einführung von Anoden- und Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien

Nov 10, 2018   Seitenansicht:1996

Der Begriff Lithiumeisenphosphat, ternäre Lithiumbatterie usw. wird durch Anodenmaterial der Lithiumionenbatterie benannt. Relativ gesehen spielen die Auswirkungen von Anoden- und Kathodenmaterialien eine wichtige Rolle für die Batterieleistung. Was sind die üblichen Anoden- und Kathodenmaterialien auf dem jüngsten Markt? Was sind die Vor- und Nachteile von Lithium-Ionen-Batterien?

Anodenmaterial

Denken Sie zunächst mehr über die folgenden Faktoren der Anodenmaterialien nach:

Haben Sie ein höheres Redoxreaktionspotential, damit die Lithium-Ionen-Batterie eine höhere Ausgangsspannung der Lithium-Ionen-Batterie erreicht.

Hoher Gehalt an Li-Ionen, hohe Materialpackungsdichte, damit die Lithium-Ionen-Batterie eine höhere Energiedichte aufweist.

Gute strukturelle Stabilität während der chemischen Reaktion, damit die Lithium-Ionen-Batterie eine längere Lebensdauer hat.

Haben eine hohe Leitfähigkeit, damit der Lithium-Ionen-Akku eine gute Lade- und Entladerate hat.

Gute chemische Stabilität und thermische Stabilität, nicht leicht zu zersetzen und zu erhitzen, damit der Lithium-Ionen-Akku eine gute Sicherheitsleistung aufweist.

Haben Sie einen niedrigeren Preis, um die Kosten für den Lithium-Ionen-Akku zu senken.

Habe relativ einfache Verarbeitung, um in der Massenproduktion zu führen.

Seien Sie umweltfreundlich und leicht zu recyceln.

Einige Schlüsselindikatoren, einschließlich Energiedichte, Lade- und Entladerate, Sicherheitsleistung usw., sind hauptsächlich durch die Anodenmaterialien begrenzt.

Basierend auf diesen Faktoren sind die jüngsten Anodenmaterialien auf dem Markt nach technischer Forschung und Marktinspektion wie folgt:

Anodenmaterialien

chemische Komponente

Struktur

E nergie Dichte

C ycle Leben

Kosten

S icherheit Leistung

Lithiumeisenphosphat

LiPO4

Olivin

Mittel

hoch

niedrig

hoch

Lithiumnickelat

LiNiO2

schichtförmig

hoch

niedrig

hoch

niedrig

Lithiummanganat

LiMn2O4

Spinell

niedrig

Mittel

niedrig

Mittel

Lithiumkobaltoxide

LiCoO2

schichtförmig

Mittel

niedrig

hoch

niedrig

NCA

LiNixCoyAl (1-xy) O2

schichtförmig

hoch

Mittel

Mittel

niedrig

NCM

LiNixCoyMn (1-xy) O2

schichtförmig

hoch

hoch

Mittel

niedrig

Lithiumkobaltoxid ist das früheste für die Vermarktung. Die Lithium-Ionen-Batterie der ersten Generation ist eine 1990 von SONY herausgegebene Lithium-Kobaltoxid-Batterie. Sie wurde später in Konsumgütern weit verbreitet. Als Masseneinführung von Mobiltelefonen, Laptops und Tablet-PCs war Lithiumkobaltoxid das beliebte Material für das Verkaufsvolumen von Lithiumionenbatterieanodenmaterial. Es hat jedoch den Nachteil eines geringen Verhältnisses von Qualität zu Volumen (ungleich Energiedichte). Die theoretische Begrenzung beträgt 274 mAh / g. In Bezug auf die Stabilitätsstruktur der Anode kann sie nur 50% der theoretischen Begrenzung (137 mAh / g) erreichen. Außerdem gibt es nicht so viel Kobalt auf der Erde, so dass das Lithiumkobaltoxid aufgrund der hohen Kosten im Bereich der Leistungsbatterien nicht weit verbreitet ist und allmählich durch andere Materialien ersetzt wird.

Lithiumnickelat weist Mängel in Bezug auf Stabilität, Sicherheitsleistung und Materialsynthese auf und findet weniger kommerzielle Anwendung. Sie können dieses Material kaum auf dem Markt finden.

Die Vermarktung von Lithiummanganit erfolgt hauptsächlich im Bereich der Leistungsbatterien, einem der wichtigsten Zweige der Lithiumionenbatterien. Zum Beispiel hat das elektronische Auto von Japan Leaf eine Lithium-Mangan-Batterie von Japan AESC verwendet. Noch früher hat Volt auch Lithium-Mangan-Batterie von Korea LG eingesetzt. Die großen Vorteile von Lithiummanganit sind niedrige Kosten und eine gute Leistung bei niedrigen Temperaturen, während die Nachteile eine geringe spezifische Kapazität (begrenzter Wert ist 148 mAh / g), eine schlechte Leistung bei hohen Temperaturen und eine niedrige Lebensdauer sind. Daher weist Lithiummanganit einen offensichtlichen Engpass in seiner Entwicklung auf. In jüngster Zeit ist die Forschungsrichtung die Modifizierung von Lithiummanganit durch Dotierung anderer Elemente, um seine Mängel zu decken.

Lithiumeisenphosphat ist in China seit einiger Zeit beliebt. Einerseits hat es die technologische Unterstützung von amerikanischen wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmen. Auf der anderen Seite ist das Material der inländischen Unternehmen für Lithium-Ionen-Batterien, die von der Industrialisierung von BYD in China betroffen sind, in den letzten Jahren hauptsächlich Lithium-Eisenphosphat. Die Anforderungen an die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien aus aller Welt werden jedoch immer strenger. Die theoretische spezifische Kapazität von Lithiumeisenphosphat beträgt 170 mAh / g, während der tatsächliche Wert bei etwa 120 mAh / g liegt, was seine Anwendung eingeschränkt hat. Außerdem hat es keine attraktive Ratenfähigkeit oder Niedertemperaturleistung. Kürzlich hat BYD ein modifiziertes Lithiumeisenphosphatmaterial veröffentlicht und anscheinend die Energiedichte verbessert. Niemand weiß, was sie den Materialien hinzugefügt haben, ohne dass die Technik dies enthüllt. In Bezug auf Produktionsanwendungsbereiche kann der Energiespeichermarkt der wichtige Markt für Lithiumeisenphosphatbatterien sein. Im Gegensatz dazu reagiert dieser Markt nicht auf die Energiedichte, sondern auf eine lange Lebensdauer, niedrige Kosten und eine hohe Sicherheitsleistung, die genau die Vorteile von Lithiumeisenphosphat-Materialien sind.

Japanische und südkoreanische Kollegen haben in den letzten Jahren die Anwendung ternärer Materialien stark gefördert. Da NCM allmählich zum Mainstream des Marktes wird, folgen auch inländische Unternehmen dem Trend und ersetzen das Material schrittweise durch NCM. Die spezifische Kapazität von ternären Materialien ist hoch, so dass die Produkte auf dem jüngsten Markt bereits bis zu 170 ~ 180 mAh / g haben und dann die Energiedichte einer einzelnen Zelle auf fast 200 Wh / kg verbessern, um die Anforderung einer langen Fahrleistung zu erfüllen von Elektroauto. Außerdem kann eine Änderung der Zusammensetzung ternärer Materialien (Wert von X, Y) eine gute Ratenfähigkeit ergeben, um die Anforderung einer Li-Ionen-Batterie mit hoher Rate und geringer Kapazität von PHEV UND HEV zu erfüllen. Dies ist der Grund, warum ternäre Materialien so beliebt sind. Aus der chemischen Formel können wir ersehen, dass NCM die Vorteile von Lithiumkobaltoxiden (LiCoO2) und Lithiummanganit (LiMn2O4) integriert hat und die Energiedichte und Geschwindigkeitsfähigkeit mit Ni-Elementen verbessern kann.

NCA kann ein modifiziertes Lithium-Nickelat-Material sein, das einen bestimmten Prozentsatz an Kobalt und Aluminium enthält (kleiner Prozentsatz). Es ist Japan Panasonic, das kommerzialisiert eingesetzt wird, andere Batterieunternehmen forschen kaum an diesem Material. Der Grund für den Vergleich ist, dass das beliebte Tesla die ternäre Batterie 18650 NCA von Panasonic in ein Batterie-System für Elektroautos eingesetzt hat und eine Lebensdauer von fast 500 km erreicht hat, was beweist, dass dieses Anodenmaterial seinen spezifischen Wert hat.

Alle diese oben genannten sind die üblichen Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien, jedoch nicht repräsentativ für alle technischen Richtungen. Tatsächlich haben sich nicht nur Universitäten und wissenschaftliche Forschungseinrichtungen, sondern auch Unternehmen bemüht, neue Arten von Lithium-Ionen-Batterien mit Anodenmaterial zu erforschen, um den Schlüsselindex für Energiedichte, Lebensdauer usw. auf ein höheres Niveau zu bringen. Heutzutage können die Anodenmaterialien für kommerzialisierte Anwendungen nicht erreichen, dass sie im Jahr 2020 250 Wh / kg oder sogar 300 Wh / kg Energiedichte erreichen. Daher müssen die Anodenmaterialien technologische Innovationen aufweisen, z. B. die Schichtstruktur an die Spinellstruktur fester Lösungsmaterialien anpassen und organische zusammengesetzte Materialien sind auch eine der populären Forschungsrichtungen.

Kathodenmaterialien

Vergleichsweise ist die Forschung zum Kathodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien geringer als die von Anodenmaterial, aber Kathodenmaterial spielt eine wesentliche Rolle bei der Verbesserung der Batterieleistung. Bei der Auswahl eines Kathodenmaterials für eine Lithium-Ionen-Batterie müssen Sie die folgenden Faktoren berücksichtigen:

Es muss eine Schicht- oder Tunnelstruktur vorliegen, was die Auflösung des Li-Ions begünstigt.

Es hat keine Strukturänderungen während des Zerlegens des Li-Ions und eine hervorragende Reversibilität und Zykluslebensdauer beim Laden und Entladen.

Li-Ion versucht, so viele wie möglich einzubetten und wieder einzubetten, um die höhere reversible Kapazität der Elektrode sicherzustellen.

Niedriges elektrisches Potential bei der Redoxreaktion, koordiniert mit dem Anodenmaterial, um eine höhere Ausgangsspannung zu haben.

Kleine irreversible Entladekapazität beim ersten Mal

Gute Konsistenz mit dem elektrolytischen Lösungsmittel

Seien Sie reich an Ressourcen und haben Sie einen niedrigen Preis

Gute Sicherheitsleistung

Umweltfreundlich

Es gibt verschiedene Arten von Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien. Sie können durch ihre chemische Zusammensetzung in Metallkathodenmaterialien (einschließlich Legierungen), anorganische Nichtmetallkathodenmaterialien und Metalloxidkathodenmaterialien unterteilt werden.

Metallkathodenmaterialien: Diese Materialien haben eine wunderbare Fähigkeit zur Lithiuminsertion. Das früheste Kathodenmaterial in der Forschung ist Lithium. Aufgrund des Sicherheitsproblems und der schlechten Zyklusleistung der Batterie wird Lithium nicht häufig als Kathodenmaterial verwendet. In den letzten Jahren neigten die Menschen dazu, an Legierungskathodenmaterialien wie Legierungen auf Zinnbasis, Legierungen auf Al-Basis, Legierungen auf Magnesiumbasis, Legierungen auf Sb-Basis usw. zu forschen, was eine neue Forschungsrichtung darstellt.

Anorganisches Nichtmetallkathodenmaterial: Es besteht hauptsächlich aus Kohlenstoffmaterial, Siliziummaterial und anderen nichtmetallischen Verbundwerkstoffen.

Übergangsmetalloxidmaterial: Es hat die Vorteile einer stabilen Struktur, einer langen Lebensdauer usw. Diese Materialien umfassen Lithiumoxid (Lithiumtitanat), Verbundoxid auf Zinnbasis usw.

Auf dem jüngsten Markt geben die Kathodenmaterialien Kohlenstoffmaterialien Vorrang, einschließlich Graphit- und Nicht-Graphit-Kohlenstoffmaterialien. Im Auto- und Elektrowerkzeugbereich hat Lithiumtitanat als Kathodenmaterial für seine wunderbare Lebensdauer, Sicherheitsleistung und Geschwindigkeitsfähigkeit verwendet, aber es wird die Energiedichte verringern, was es nicht zum Mainstream auf dem Markt machen kann. Mit Ausnahme der Zinnlegierung mit Produkten von SONY befinden sich andere Kathodenmaterialien hauptsächlich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, jedoch nur selten in der Vermarktungsanwendung.

Was die Entwicklungstendenz betrifft, kann Material auf Siliciumdioxidbasis Kohlenstoffmaterial ersetzen und das nächste Hauptkathodenmaterial einer Lithiumionenbatterie sein, wenn das Zyklusproblem perfekt gelöst wurde. Kathodenmaterialien der Anode, einschließlich Zinnlegierung, Siliziumlegierung usw., sind ein weiterer beliebter Trend und werden sich dem Produkt und dem Markt nähern. Außerdem kann Eisenoxid mit hoher Sicherheitsleistung und Energiedichte Lithiumtitanat (LTO) ersetzen und ist in dem Bereich mit Anforderungen an lange Lebensdauer und Sicherheitsleistung weit verbreitet.

Hier finden Sie weitere Details zu zwei Schlüsselindizes in Bezug auf Lithium-Ionen-Akku und Energie: Energiedichte und Lade- und Entladerate.

Die Energiedichte ist die Kapazität der Speicherkapazität in Volumen oder Gewicht. Je höher, desto besser ist es. Die Lade- und Entladerate ist die Geschwindigkeit der Energiespeicherung und -freigabe. Es ist besser, pro Sekunde zu beschleunigen, in einem Moment zu laden und zu entladen.

Tatsächlich können wir nicht in einem Moment unendliche Energie haben oder eine Energieverschiebung realisieren. Deshalb müssen wir den Prozess kontinuierlich gestalten.

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