Einführung von Anoden- und Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien

Es ist normal, die Begriffe Lithiumeisenphosphat, ternäre Lithiumbatterie, zu sehen, die durch die Art der Anodenmaterialien der Lithiumionenbatterie unterteilt sind. Relativ gesehen haben die Anoden- und Kathodenmaterialien der Lithium-Ionen-Batterie einen größeren Einfluss auf die Eigenschaften der Batterie. Aber was sind die gängigen Anodenmaterialien auf dem aktuellen Markt? Was sind ihre Stärken und Schwächen bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien?

1. Anodenmaterial

Schauen wir uns zunächst die Anodenmaterialien an, die Auswahl der Anodenmaterialien, hauptsächlich basierend auf den folgenden Faktoren:

1) Stellen Sie den lithium-ionen-akku mit hohem REDOX-Potenzial so ein, dass eine hohe Ausgangsspannung erreicht wird.

2) Lithiumgehalt hoch, die Materialschüttdichte ist hoch, die Lithiumionenbatterie hat eine hohe Energiedichte;

3) Chemische Reaktion im Prozess der strukturellen Stabilität ist besser, machen die Lithium-Ionen-Batterie hat eine lange Lebensdauer;

4) Höhere Leitfähigkeit, wodurch lithium-ionen-akkus eine gute Lade- und Entladerate aufweisen;

5) Eine bessere chemische Stabilität und thermische Stabilität, die nicht leicht zu zersetzen ist und Fieber verursacht, macht die Sicherheit der Lithium-Ionen-Batterie gut;

6) Günstig, wodurch die Kosten für den Lithium-Ionen-akku niedrig genug sind;

7) Der Herstellungsprozess ist relativ einfach und leicht in Massenproduktion herzustellen.

8) Geringe Umweltverschmutzung, einfaches Recycling.

Derzeit hängen die Energiedichte, die Lade- und Entladerate, einige Schlüsselindikatoren, wie die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien, hauptsächlich vom Anodenmaterial ab.

Basierend auf diesen Faktoren ist nach der Vermarktung der technischen Forschung und Prüfung der derzeit in der folgenden Tabelle gezeigte Markt für gemeinsame Anodenmaterialien zu berücksichtigen:

Die kommerzielle Anwendung von Kobaltsäurelithium geht zuerst voran, die erste Generation der kommerziellen Anwendung von Lithiumionenbatterien ist SONY im Jahr 1990 auf dem Markt für Kobaltsäurelithiumionenbatterien und wird dann in großem Maßstab in Verbraucherprodukten eingesetzt. Mit der massiven Beliebtheit von Mobiltelefonen, Notebooks, Tablets war Kobaltsäurelithium einst ein Kathodenmaterial für Lithiumionenbatterien beim Verkauf des größten Materials. Die Qualität seines inhärenten Nachteils ist jedoch gegeben () ist nicht die gleiche wie die Energiedichte niedrig, die Grenzwerttheorie beträgt 274 mAh / g, um der positiven Strukturstabilität willen kann nur der theoretische Wert von 50% in erreicht werden reale Begriffe, nämlich 137 mah / g. Zur gleichen Zeit, weil das Kobaltelement auf den Erdreserven geringer ist, führt dies auch zu höheren Kosten für Kobaltsäurelithium, im harten Batteriefeld großflächige Popularisierung, so dass Kobaltsäurelithiumanodenmaterialien allmählich durch andere Materialien ersetzt werden.

Aufgrund der Stabilität, Sicherheit, Materialsynthese schwierige Aspekte von Mängeln, wird die kommerzielle Anwendung von Nickelsäurelithium weniger, selten auf dem Markt gesehen, hier nicht diskutiert.

Die kommerzielle Anwendung von Mangansäurelithium, hauptsächlich im Bereich der Leistungsbatterien, ist ein wichtigerer Zweig der Lithiumionenbatterien. Wie Nissans Blatt-Elektroauto VERWENDET die AESC japanische Firma Mangansäure-Lithium-Ionen-Batterie, frühe Chevrolet Volt auch von Südkoreas LG chemische Mangan-Säure-Lithium-Ionen-Batterien. Der herausragende Vorteil von Mangansäurelithium sind niedrige Kosten, gute Leistung bei niedrigen Temperaturen, der Nachteil besteht darin, dass die spezifische Kapazität niedrig ist, die Grenze bei 148 mAh / g liegt und die Leistung bei hohen Temperaturen schlecht ist und die Lebensdauer niedrig ist. So hatte die Entwicklung von Lithiummangansäure einen offensichtlichen Engpass, in den letzten Jahren ist die Forschungsrichtung hauptsächlich modifizierte Lithiummangansäure, die durch Dotierung mit anderen Elementen ihre Mängel ändert.

Lithiumeisenphosphat-Material in China für eine Weile einerseits von den wissenschaftlichen Forschungseinrichtungen und Unternehmen im technischen Teil des Antriebs, andererseits Industrialisierung durch BYD zu Hause vor einigen Jahren Lithium-Ionen-Batterie Inländische Unternehmen im Bereich der Strombatterien haben grundsätzlich Vorrang vor Lithiumeisenphosphat. Da jedoch die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterieenergiedichte immer höher wird und die spezifische Kapazität der theoretischen Grenze für Lithiumeisenphosphat bei 170 mAh / g liegt und tatsächlich nur um 120 mAh / g erreicht werden kann, war dies nicht möglich die aktuelle und zukünftige Marktnachfrage erfüllen. Darüber hinaus begrenzt das Verhältnis der Lithiumeisenphosphatleistung, Niedertemperatureigenschaften wie Fehler, auch die Anwendung von Lithiumeisenphosphat. BYD hat kürzlich ein modifiziertes Lithiumeisenphosphat-Material entwickelt, dessen Energiedichte stark zugenommen hat, das auch keine spezifischen technischen Details enthielt und nicht wusste, mit welchem Material es sich befindet. In Bezug auf Produktanwendungsfelder sollte Strom der Energiespeichermarkt für Eisenphosphat-Lithium-Ionen-Batterien sein, ein wichtiger Markt, im Gegensatz dazu ist der Markt nicht besonders empfindlich gegenüber der Energiedichte und von langer Lebensdauer, geringen Kosten und hoher Sicherheit dringend Nachfrage nach Batterien, Lithium-Eisen-Phosphat-Materialvorteil.

In den letzten Jahren haben sich Japan und Südkorea energisch bemüht, die Anwendung von ternärem Material zu fördern. Nickel-Kobalt-Mangan-ternäres Material wurde allmählich zum Mainstream des Marktes. Inländische Unternehmen verfolgen ebenfalls die folgende Strategie und wandten sich allmählich dem ternären Material zu. Die hohe spezifische Kapazität des ternären Materials, die derzeit auf dem Markt befindlichen Produkte können bereits 170 bis 180 mAh / g erreichen und die Energiedichte des Batteriemonomers auf fast 200 wh / kg erhöhen können, erfüllt die Anforderung einer großen elektrischen Reichweite Autos. Darüber hinaus kann durch Ändern des Verhältnisses des ternären Materials (x, y) auch ein gutes Leistungsverhältnis erzielt werden, um die Nachfrage von PHEV- und HEV-Fahrzeugen nach Lithium-Ionen-Batterien mit kleinem Fassungsvermögen und großem Verhältnis zu befriedigen, was die Ursache ist Das ternäre Material ist beliebt. Aus der chemischen Formel ist ersichtlich, dass ternäres Nickel-Kobalt-Mangan-Material kombiniert (LiCoO2) und Kobalt-Säure-Lithium-Mangan-Säure-Lithium (LiMn2O4) einige der Vorteile gleichzeitig mit dem Nickel-Element die Energiedichte und das Leistungsverhältnis verbessern können.

Das ternäre Aluminium-Nickel- und Kobalt-Material ist streng genommen eine Modifikation der Lithium-Nickel-Säure-Materialien (LiNiO2), darunter ein bestimmter Anteil an Kobalt und Aluminium (weniger). Kommerzielle Anwendung ist hauptsächlich Japan, Panasonic Company, das andere Lithium-Ionen herstellt Batterieunternehmen wenig Forschung zu diesem Material. Zum Vergleich, weil der berühmte Tesla, Panasonic 18650 Aluminium Nickel und Kobalt ternäre Batterien für Elektrofahrzeug Power Battery System verwenden soll, und es nahe an die Reichweite von 500 Kilometern gemacht hat, zeigt das positive Polmaterial, hat immer noch seinen einzigartigen Wert.

Oben ist nur ein übliches Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial dargestellt, das nicht alle technischen Wege darstellt. Tatsächlich versuchen sowohl Universitäten als auch Forschungsinstitute und Unternehmen, eine neue Art von Lithium-Ionen-Batterie-Kathodenmaterial zu untersuchen, um wichtige Messgrößen wie Energiedichte und Lebensdauer auf ein höheres Niveau zu heben. Und wenn Sie im Jahr 2020 250 Wh / kg oder sogar 300 Wh / kg Energiedichteindex erreichen möchten, kann die kommerzielle Anwendung der Anodenmaterialien dies jetzt nicht realisieren. Daher muss das Anodenmaterial des technologischen Wandels stärker sein B. Änderung der Schichtstruktur für die Spinellstruktur fester Materialien und die positiven Elektrodenmaterialien für organische Verbindungen sind derzeit beliebte Forschungsrichtungen.

2. Das Kathodenmaterial

Im Gegensatz dazu spielen Studien zu Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien nicht so sehr wie zum Anodenmaterial, aber die Verbesserung der Leistung der Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien spielt immer noch eine entscheidende Rolle. Die Auswahl der Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sollte dies berücksichtigen folgende Bedingungen:

1) Es sollte eine Schicht- oder Tunnelstruktur aufweisen, um das Einbetten von eingebetteten Lithiumionen zu erleichtern und zu entfernen.

2) Es ist in Lithium-Ionen, wenn es ohne Änderung der Struktur eingebettet ist, hat eine gute Lade- und Entladungsreversibilität und Zykluslebensdauer;

3) Lithiumionen in der Einbettung und außerhalb sollten so viel wie möglich sein, damit die Elektrode die hohe irreversible Kapazität hat;

4) Das Potential der REDOX-Reaktion ist geringer, und das Anodenmaterial, um zusammenzuarbeiten, bewirkt, dass die Batterie die hohe Ausgangsspannung hat;

5) Zum ersten Mal ist die spezifische Kapazität der irreversiblen Entladung gering;

6) Es hat eine gute Verträglichkeit mit Elektrolytlösungsmittel;

7) reich an Ressourcen, niedriger Preis;

8) Sicherheit;

9) Umweltfreundlich.

Es gibt viele Arten von Lithium-Ionen-Batterie-Anodenmaterialien, die je nach chemischer Zusammensetzung in Metallanodenmaterialien (einschließlich Legierungen), anorganische nichtmetallische Anodenmaterialien und Metalloxidanodenmaterialien unterteilt werden können.

(1) Metallanodenmaterialien: Diese Art von Material mit ultrahoher interkalierter Kapazität. Die früheste Forschung sind Anodenmaterialien für Lithiummetall. Aufgrund der schlechten Batteriesicherheit und Zyklusleistung wurde metallisches Lithium als negatives Material nicht häufig verwendet. In den letzten Jahren hat die Klasse der Anodenmaterialien für Legierungen umfangreichere Forschungen erhalten, wie z. B. Legierungen auf Zinnbasis, Aluminiumlegierungen, Magnesiumlegierungen, Antimon usw., eine neue Richtung.

(2) Anorganische nichtmetallische Anodenmaterialien, die in Lithiumionenbatterie-Kathodenmaterialien aus anorganischen nichtmetallischen Materialien hauptsächlich Kohlenstoff, Silizium und anderen nichtmetallischen Verbundmaterialien verwendet werden.

(3) Übergangsmetalloxidmaterial: Diese Art von Material weist im Allgemeinen die Strukturstabilität und lange Lebensdauer auf, wie Lithiumübergangsoxid (Lithiumtitanat usw.), Verbundoxide auf Zinnbasis.

In Bezug auf den gegenwärtigen Markt, großtechnische kommerzielle Anwendungen, wird Anodenmaterialien immer noch Vorrang vor Kohlenstoffmaterialien eingeräumt, wobei Graphit und die Graphitkohlenstoffmaterialien verwendet werden. Auf dem Gebiet der Automobil- und Elektrowerkzeuge hat Lithiumtitanat als Kathodenmaterial ebenfalls eine bestimmte Anwendung, weist hauptsächlich eine sehr hervorragende Lebensdauer, Sicherheit und Leistungsverhältnis auf, verringert jedoch die Energiedichte der Batterie und ist daher kein Mainstream. Andere Arten von Anodenmaterialien, zusätzlich zu SONY in Zinnlegierungsprodukten, haben bei der wissenschaftlichen Forschung und technischen Entwicklung immer noch Vorrang vor einer geringeren Marktanwendung.

Im Hinblick auf den Entwicklungstrend der Zukunft könnten Materialien auf Siliziumbasis Kohlenstoffmaterialien als nächste Generation von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien ersetzen, wenn sie die Zirkulationsleistung effektiv lösen können. Zinnlegierung, Siliziumlegierungsanodenmaterialien einer Klasse, ist auch eine sehr beliebte Richtung, wird in Richtung Industrialisierung gehen. Darüber hinaus ist die Sicherheit und hohe Energiedichte von Eisenoxiden, die Lithiumtitanat (LTO) ersetzen könnten, eine lange Lebensdauer und Sicherheitsanforderungen in einigen höheren Bereichen weit verbreitet.

Im Folgenden werden zwei Schlüsselindikatoren für die Energie von Lithium-Ionen-Batterien erörtert: die Energiedichte sowie die Lade- und Entladerate, eine kurze Diskussion.

Energiedichte, dh was Energie pro Volumen- oder Gewichtseinheit gespeichert werden kann, der Index ist umso höher, je besser natürlich alles konzentrierte Wesen ist. Lade- und Entladerate, die Geschwindigkeit der Energiespeicherung und -freigabe, sollte besser Sekundengeschwindigkeit sein, sofort ist voll oder Freisetzung, wie Sie möchten.

Dies sind natürlich die idealen Bedingungen. In der Tat ist es aufgrund verschiedener realistischer Faktoren schwierig, unbegrenzte Energie zu erhalten. Keiner kann die sofortige Energieübertragung realisieren. Es liegt in unserer Verantwortung, die Antwort darauf zu finden, wie diese Einschränkungen kontinuierlich überwunden und eine Forschung auf höherer Ebene erreicht werden kann.

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