Einführung verschiedener Arten von Lithium-Ionen-Batterien auf dem neuesten Stand der Technik

1, alle Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie

Derzeit sind handelsübliche Elektrolyte für Lithium-Ionen-Batterien flüssig und werden daher auch als flüssige Lithium-Ionen-Batterien bezeichnet. In einfachen Worten bedeutet eine Festkörper-Lithium-Ionen-Batterie, dass alle Komponenten in der Batteriestruktur in fester Form vorliegen und den flüssigen Elektrolyten und die Membran einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie durch einen Festelektrolyten ersetzen.

Im Vergleich zu Flüssiglithiumionenbatterien hat jeder Festkörperelektrolyt die folgenden Vorteile: hohe Sicherheit / ausgezeichnete thermische Stabilität, Langzeitarbeit unter der Bedingung von 60-120 ° C ; breites elektrochemisches Fenster, kann mehr als 5 V erreichen, kann mit dem übereinstimmen Hochspannungsmaterialien; Leitende Lithiumionenleitungselektronen nicht nur; Das Kühlsystem ist einfach, hohe Energiedichte; Kann im Bereich dünner flexibler Batterien eingesetzt werden. Die Mängel liegen jedoch auf der Hand: Die Einheitsfläche der Ionenleitfähigkeit ist gering, die Leistung schlechter als die normale Temperatur; Die Kosten sind sehr teuer; Industrialisierte Produktion von Batterien mit großer Kapazität.

Die Leistung des Elektrolytmaterials bestimmt in hohem Maße die Leistungsdichte der Festkörperlithiumionenbatterien, die Zyklusstabilität, die Sicherheitsleistung, die Leistung bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie die Lebensdauer. Festelektrolyt kann in zwei Arten große Polymerelektrolyte (im Allgemeinen eine Mischung aus PEO- und Lithiumsalz-LITFSI-Elektrolyt-Grundmaterial) und anorganische Elektrolyte wie Oxid und Sulfid unterteilt werden. Alle Festkörperbatterietechnologien sind allgemein anerkannt, dass die nächste Generation der Batterietechnologie sich auf die Entwicklung von Innovationen konzentriert, glauben, dass die Technologie in naher Zukunft immer ausgereifter wird, diese Probleme können gelöst werden.

2, ternäres Material mit Batterien mit hoher Energiedichte

Während Menschen nach der Batterieenergiedichte streben, erregt das ternäre Kathodenmaterial immer mehr die Aufmerksamkeit der Menschen. Ternäres Kathodenmaterial mit hoher spezifischer Kapazität und guter Zyklusleistung, geringen Kostenvorteilen bezieht sich im Allgemeinen auf die Schichtstruktur von Nickel-Kobalt-Mangan-Säure-Lithium-Materialien. Durch Verbessern der Batteriespannung und des Nickelelementgehalts im Material kann die Energiedichte des ternären Kathodenmaterials effektiv verbessert werden.

Theoretisch hat das ternäre Material selbst den Vorteil einer hohen Spannung: Die Standardtestspannung des ternären Kathodenmaterials beträgt 4,35 V, und das gewöhnliche ternäre Material kann unter dieser Spannung eine gute Zyklusleistung aufweisen; Die Spannung wird auf 4,5 V erhöht, die symmetrischen Materialien (333 und 442) können eine Kapazität von 190 haben, der Zyklus ist auch gut, 532 ist weniger zyklisch; Bei einer Ladung auf 4,6 V beginnt die Cyclisierung des ternären Materials abzunehmen, Blähungen. Das Phänomen wird immer schlimmer. Gegenwärtig ist der Faktor, der die praktische Verwendung von ternären Hochspannungskathodenmaterialien einschränkt, dass es schwierig ist, einen passenden Hochspannungselektrolyten zu finden.

Eine andere Möglichkeit, die Energiedichte von ternären Materialien zu erhöhen, besteht darin, den Nickelgehalt im Material zu erhöhen. Im Allgemeinen bedeutet ein ternäres Kathodenmaterial mit hohem Nickelgehalt, dass der Molenbruch von Nickel in dem Material größer als 0,6 ist, und ein solches ternäres Material hat ein hohes Verhältnis. Kapazität und niedrige Kosten, aber die Kapazitätserhaltungsrate ist gering und die thermische Stabilität ist schlecht. Die Leistung dieses Materials kann durch die Verbesserung des Herstellungsprozesses effektiv verbessert werden. Die Größe und Morphologie der Mikro-Nano haben großen Einfluss auf die Leistung von ternären Kathodenmaterialien mit hohem Nickelgehalt. Daher konzentrieren sich die meisten derzeit verwendeten Herstellungsverfahren auf eine gleichmäßige Dispersion, und es werden kugelförmige Partikel mit kleiner Größe und großer spezifischer Oberfläche erhalten.

Unter den vielen Herstellungsverfahren ist die Kombination des Copräzipitationsverfahrens und des Hochtemperatur-Festphasenverfahrens das Hauptverfahren. Zunächst wird das Copräzipitationsverfahren verwendet, um einen Vorläufer mit einheitlichem Rohmaterial und einheitlicher Partikelgröße zu erhalten, und dann einer Hochtemperaturkalzinierung unterzogen, um ein ternäres Material mit regelmäßiger Oberflächenmorphologie und einfacher Kontrolle des Verfahrens zu erhalten, das das Hauptverfahren ist, bei dem industrielle Produktion. Das Sprühtrocknungsverfahren ist einfacher als das Copräzipitationsverfahren und die Herstellungsgeschwindigkeit ist hoch. Die erhaltene Materialmorphologie ist nicht geringer als die Copräzipitationsmethode und bietet das Potenzial für weitere Forschung. Die Mängel des ternären Kathodenmaterials mit hohem Nickelgehalt während des Kationenmischens und der Phasenänderung während des Ladens und Entladens können durch Dotierungsmodifikation und Beschichtungsmodifikation wirksam verbessert werden. Die Verbesserung der Leitfähigkeit, der Zyklusleistung, der Geschwindigkeitsleistung, der Speicherleistung sowie der Hochtemperatur- und Hochdruckleistung bei gleichzeitiger Unterdrückung des Auftretens von Nebenreaktionen und der Stabilisierung von Strukturen wird ein heißes Forschungsthema bleiben.

3, hochvolumiges Siliciumkohlenstoffnegativ

Beeinflusst als wichtiger Bestandteil von Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien direkt die Energiedichte der Batterie, die Lebensdauer und die Sicherheitsleistung sowie andere Schlüsselindikatoren. Silizium erhält ein bekanntes (4200 mAh / g), das höchste Lithiumionenbatterie-Kathodenmaterial, aber aufgrund seines mehr als 300% igen Volumeneffekts pulverisieren und schälen sich Siliziumelektrodenmaterialien beim Laden und Entladen aus der Sammlung von Flüssigkeit, bilden Wirkstoffe und Wirkstoffe, Verlust des elektrischen Kontakts zwischen den Wirkstoffen, gleichzeitig ständige Bildung neuer Festelektrolytschicht SEI, führen schließlich zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Eigenschaften. Um dieses Problem zu lösen, führten die Forscher eine große Anzahl von Untersuchungen durch und versuchten, das Silizium-Kohlenstoff-Verbundmaterial von großer Anwendungsperspektive zu machen.

Als negatives Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien weisen Kohlenstoffmaterialien während des Ladens und Entladens eine geringe Volumenänderung, eine gute Zyklusstabilität und eine ausgezeichnete elektrische Leitfähigkeit auf, weshalb sie häufig zur Rekombination mit Silizium verwendet werden. In dem Kohlenstoff-Silizium-Verbundanodenmaterial kann es je nach Art des Kohlenstoffmaterials in zwei Kategorien unterteilt werden: Silizium und traditionelle Kohlenstoffmaterialien sowie Silizium und neue Kohlenstoffmaterialien, zu denen die traditionellen Kohlenstoffmaterialien hauptsächlich Graphit, Mesophasen-Mikrokugeln, gehören. Kohlenschwarz. Und amorpher Kohlenstoff; Zu den neuen Kohlenstoffmaterialien gehören hauptsächlich Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstoffnanodrähte, Kohlenstoffgele und Graphen. Der Silicium-Kohlenstoff-Verbundstoff wird verwendet, um die poröse Wirkung des Kohlenstoffmaterials zu nutzen, um die Volumenausdehnung des aktiven Zentrums des Siliciums zu hemmen und zu puffern, die Agglomeration der Partikel zu verhindern, das Eindringen des Elektrolyten in das Zentrum zu verhindern und das zu erhalten Stabilität der Grenzfläche und des SEI-Films.

Viele globale Unternehmen, die sich bereits dieser Art neuer Anodenmaterialien verschrieben haben, wie Shenzhen Terry und Jiangxi Zichen, haben Pionierarbeit für viele Produkte von Silizium-Kohlenstoff-Anodenmaterialien geleistet. Shanghai Shanshan befasst sich mit Silizium-Kohlenstoff-negativen Elektrodenmaterialien im Zuge der Industrialisierung, Star City Graphit hat Silizium Kohlenstoffanodenmaterialien für die zukünftige Richtung der Entwicklung neuer Produkte.

4, Hochspannungs-Lithiummaterialien mit hoher Kapazität

Li-reiches Mangan (xLi [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 - x) LiMO2, M ist ein Übergangsmetall 0 ≤ x ≤ 1, Struktur ähnlich LiCoO2) hat eine hohe entladungsspezifische Kapazität und ist Derzeit verwendet Die tatsächliche Kapazität des positiven Elektrodenmaterials beträgt etwa das Zweifache und wurde daher umfassend für Lithiumbatteriematerialien untersucht. Da das Material eine große Menge an MN-Elementen enthält, ist es außerdem umweltfreundlicher und billiger als LiCoO2 und das ternäre Material LI [Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3] O2. Daher ist Xli [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 - x) LiMO2-Material wird von vielen Wissenschaftlern als ideales Material für die nächste Generation von Lithiumionenbatterie-Kathodenmaterialien angesehen.

Gegenwärtig gibt es, hauptsächlich unter Verwendung der Methode der Copräzipitationsherstellung, reiches Lithiummangan-Basismaterial, auch einige Forscher die Sol-Gel-Methode, die Festphasenmethode, die Brennmethode und die hydrothermale Methode und das Verfahren zur Herstellung, aber die Materialleistung als die stetige Copräzipitation Methode. Das Material hat zwar eine hohe spezifische Kapazität, aber seine Anwendung weist immer noch einige Probleme auf: Zum ersten Malzyklus die irreversible Kapazität von bis zu 40 ~ 100 mAh / g; Das Leistungsverhältnis ist schlecht, 1 c Kapazität unter 200 mAh / g; Hohe Ladespannungen verursachen die Elektrolytzersetzung, machen die Zyklusleistung nicht ideal und die Verwendung von Sicherheitsproblemen. Durch die Verwendung von Metalloxidbeschichtung und anderen positiven Elektrodenmaterialien für die Oberflächenbehandlung von Verbundwerkstoffen kann die spezielle Struktur der Obergrenze der Niederspannung, des Lade- und Entladevorgangs konstruiert werden Lösung.

Im Jahr 2013 haben Ningbo-Materialien eine neuartige Modifikation der Gas-Feststoff-Grenzfläche entwickelt, bei der die reichhaltigen Partikel des Lithium-Mangan-Anodenmaterials einen gleichmäßigen Sauerstoffleerraum bilden. Das reichhaltige Lithium-Mangan-Anodenmaterial wurde im praktischen Prozess kraftvoll angetrieben.

5 ist der Elektrolyt mit hoher Spannungstoleranz

Obwohl die Hochspannung mit mehr Aufmerksamkeit auf die Lithiumbatteriematerialien gerichtet ist, kann das Hochspannungsanodenmaterial in der tatsächlichen Produktionsanwendung immer noch keine gute Wirkung erzielen. Die größte Einschränkung besteht darin, dass das elektrochemische Stabilitätsfenster des Carbonatelektrolyten niedrig ist, wenn die Batteriespannung bei 4,5 (VS.LI/Li +) der Elektrolyt eine starke Oxidationszersetzung begann, bei der lithiumbatterien nicht normale Reaktionen auslösten. Die Toleranz des Hochspannungselektrolysesystems zur Förderung dieses neuen Materials ist ein wichtiges Glied in der praktischen Anwendung.

Die Verbesserung der Stabilität der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt durch Entwicklung und Anwendung neuer Hochdruckelektrolytsysteme oder filmbildender Hochdruckadditive ist ein wirksamer Weg zur Entwicklung von Hochspannungselektrolyten, die häufig wirtschaftlich bevorzugt werden. Solche Additive, die die Spannungsfestigkeit des Elektrolyten erhöhen, umfassen im Allgemeinen borhaltige, Organophosphor-, Carbonat-, schwefelhaltige, ionische Flüssigkeiten und andere Arten von Additiven. Die borhaltigen Additive umfassen Tris (trimethylalkan) borat, Lithiumbis (oxalat) borat, Lithiumdifluoroxalatborat, Tetramethylborat, Trimethylborat und Trimethylcyclotriboran. Organophosphoradditive umfassen Phosphite und Phosphate. Additive auf Carbonatbasis umfassen fluorhaltige Mercaptoverbindungen. Schwefelhaltige Additive umfassen 1,3-Propansulton, Dimethoylmethan, Trifluormethylphenylsulfid und dergleichen. Ionische flüssige Additive umfassen Imidazol und quaternäre Phosphoniumsalze.

Aus bereits öffentlich im In- und Ausland gemeldeten Forschungen kann die Einführung eines Hochdruckadditivs eine 4-Elektrolyt-Toleranz ergeben. Eine Spannung von 4 bis 4,5 V muss jedoch entwickelt werden, wenn die Ladespannung 4 erreicht. Mehr als 8 V oder 5 V müssen zu a entwickelt werden höherer Spannungswiderstand des Elektrolyten.

6, Beständigkeit gegen Hochtemperaturmembran

Die Lithiumbatteriemembran in der Lithiumionenbatterie leitet hauptsächlich Lithiumionen und die Isolierung ist die Rolle des elektrischen Kontakts zwischen den Kathoden. Sie ist eine der wichtigen Komponenten, die den abgeschlossenen elektrochemischen Lade- / Entladevorgang der Batterie unterstützen. Bei der Lithiumbatterie muss die Membran bei Überladung der Batterie oder bei höheren Temperaturen eine ausreichende thermische Stabilität (thermische Verformungstemperatur> 200 ° C ) aufweisen, um den positiven und negativen Elektrodenkontakt der Batterie wirksam zu isolieren und Kurzschlüsse zu vermeiden, wie z thermisches Durchgehen und sogar Explosionsunfälle. Gegenwärtig weit verbreitete Polyolefinmembranen, deren Schmelzpunkt und niedrige Erweichungstemperatur (<165 ° C ), ist es schwierig, die Sicherheit der Batterie sowie die geringe Porosität und niedrige Oberflächenenergie wirksam zu gewährleisten, was das Batterieleistungsverhältnis begrenzt. Daher ist es sehr wichtig, eine hohe Beständigkeit gegen Hochtemperatur-Membransicherheit zu entwickeln.

Das Ningbo Materials Power Lithium Battery Engineering Lab und das Dalian Institute of Chemical Physics Energy Storage Technology Research haben unter Verwendung einer Nassprozessformtechnologie einen neuen Typ einer hochtemperaturbeständigen porösen Membran entwickelt, die eine kostengünstige poröse Membran herstellt, die leicht zu quantifizieren ist Produktion. Vorläufige Studienergebnisse zeigen, dass die thermische Verformungstemperatur der Membran viel höher als 200 ° C ist und die thermische Stabilität der Kommerzialisierung der Vliesmembran die Batteriesicherheit wirksam gewährleisten kann. Gleichzeitig vermeidet diese Art von poröser Membran mit hoher Porosität und hoher Krümmung der Porenstruktur, um die Spielkapazität der Batterie zu gewährleisten, gleichzeitig effektiv Mikrokurzschluss und Selbstentladungsphänomen der Batterie. Darüber hinaus wurden Ningbo-Materialien mit einer ultradünnen ionenaustauschbaren Funktionsschicht aus hitzebeständiger Verbundmembran entwickelt, die auf der dreidimensionalen hitzebeständigen Skelettgel-Verbundmembran und der Keramikmembran basiert.

Zusätzlich zu Ningbo Materials beschichtete Mitsubishi im Jahr 2015 den Separator mit hochhitzebeständigem anorganischem Füllstoff, so dass der Separator einen angemessenen Widerstandswert bei 220 ° C beibehalten und den Stromdurchgang blockieren kann.

7, Lithium-Schwefel-Batterien

Eine Lithium-Schwefel-Batterie ist eine lithium-batterie, bei der ein Schwefelelement als positive Elektrode einer Batterie und Lithiummetall als negative Elektrode verwendet wird. Der größte Unterschied zur allgemeinen Lithium-Ionen-Batterie besteht darin, dass der Reaktionsmechanismus der Lithium-Schwefel-Batterie eine elektrochemische Reaktion und keine Lithiumionen-Deinterkalation ist. Das Funktionsprinzip von Lithium-Schwefel-Batterien basiert auf komplexen elektrochemischen Reaktionen. Bisher konnten die beim Laden und Entladen von Schwefelelektroden gebildeten Zwischenprodukte nicht charakterisiert werden. Es wird allgemein angenommen, dass die Reaktion der negativen Elektrode während der Entladung darin besteht, dass Lithium Elektronen verliert, um Lithiumionen zu werden, und die positive Elektrode mit Schwefel reagiert, um mit Lithiumionen und Elektronen unter Bildung von Sulfiden zu reagieren. Die Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode ist die Entladungsspannung, die von der Lithium-Schwefel-Batterie bereitgestellt wird. Unter Einwirkung der angelegten Spannung reagieren die positiven und negativen Elektroden der Lithium-Schwefel-Batterie umgekehrt, was der Ladevorgang ist.

Der größte Vorteil von Lithium-Schwefel-Batterien ist ihre theoretische spezifische Kapazität (1672 mAh / g) und spezifische Energie (2600 Wh / kg), die viel höher ist als bei anderen auf dem Markt weit verbreiteten Arten von Lithium-Ionen-Batterien und aufgrund des reichlich vorhandenen Schwefels Reserven. Diese Batterie ist kostengünstig und umweltfreundlich. Lithium-Schwefel-Batterien haben jedoch auch einige Nachteile: Die elektronische Leitfähigkeit und die Ionenleitfähigkeit von elementarem Schwefel sind schlecht; Die Zwischenentladungsprodukte von Lithium-Schwefel-Batterien werden im organischen Elektrolyten gelöst, und die Polysulfidionen können zwischen der positiven und der negativen Elektrode wandern, was zu Aktivität führt. Materialverlust; Die Metalllithiumanode ändert sich während des Ladens und Entladens und es bilden sich leicht Dendriten. Die schwefelpositive Elektrode weist während des Ladens und Entladens eine Volumenexpansion / -kontraktion von bis zu 79% auf.

Hauptmethoden zur Lösung dieser Probleme im Allgemeinen aus zwei Aspekten des Elektrolyten und des Anodenmaterials, Elektrolyt, verwenden hauptsächlich Ether als Elektrolytbatterie Elektrolyt, Elektrolyt, hinzufügen einige Additive können sehr effektiv sein, um Lithium-Schwefel-Verbindungen zu lösen, lösen Probleme. Das Anodenmaterial, hauptsächlich das Schwefel- und Kohlenstoffverbundmaterial oder die Schwefel- und organische Verbindung, kann das Problem der nichtleitenden und Volumenausdehnung von Schwefel lösen.

Die Lithium-Schwefel-Batterie befindet sich noch in der Laborforschung und -entwicklung. Die chinesische Akademie der Wissenschaften, das Nanyang Polytechnic, Stanford, das japanische Forschungsinstitut für Industrietechnologie und die Universität Tsukuba sind führend, und SionPower war auf dem Gebiet der unbemannten Notebooks tätig (uav) hat bedeutende Anträge gestellt.

8, Lithium-Luft-Batterien

Die Lithium-Luft-Batterie ist eine neue Art von Lithium-Ionen-Batterie mit großer Kapazität, die vom japanischen Forschungsinstitut für Industrietechnologie und der externen akademischen Organisation in Japan (JSPS) gemeinsam entwickelt wurde. Batterien mit Lithiummetall als Anode, dem Luftsauerstoff als Anode zwischen zwei durch einen Festelektrolyten getrennten Elektroden; Die Kathode verwendet organischen Elektrolyten, Anode wird wässriger Elektrolyt verwendet.

Zum Zeitpunkt der Entladung löst sich die Anode in organischem Elektrolyten in Form von Lithiumionen auf und wandert dann durch den Festelektrolyten wässrigen Elektrolyten zur Anode; Elektronisch durch eine Drahtübertragung zur Anode, Sauerstoff in der Luft und Wasser im Ultra-Mikronisierungsmodell. Das nach der Reaktion der Kohlenstoffoberfläche erzeugte Hydroxyl im wässrigen Elektrolyten der Anode in Kombination mit Lithiumionen erzeugte wasserlösliches Lithiumhydroxid. Elektronisch durch Drahtübertragung zur Kathode, wenn die Ladung vom wässrigen Elektrolyten der Anode durch den Festkörperlithiumionenelektrolyten die Oberfläche der Anode erreicht, reagiert die Kathodenoberfläche unter Bildung von Metalllithium. Das Positiv von Hydroxyl verliert elektronisch erzeugten Sauerstoff.

Lithium-Luft-Batterien können durch Ersetzen der Anode und des Kathodenelektrolyten Lithium ohne Ladung, Entladekapazität von bis zu 50000 mAh / g, hohe Energiedichte, theoretisch 30 kg Metalllithium und 40 l Gas die Energie derselben freisetzen; Lithiumhydroxid-Produkt leicht zu recyceln, umweltfreundlich. Die Zyklusstabilität, die Umwandlungseffizienz und das Leistungsverhältnis sind jedoch seine Mängel.

Im Jahr 2015 entwickelte die Cambridge University Gray eine Lithiumluft mit hoher Energiedichte. Die Anzahl der Ladevorgänge betrug „mehr als 2.000 Mal“, und die Energieeffizienz lag theoretisch über 90%, was den praktischen Einsatz von Lithium-Luft-Batterien zu einem Fortschritt macht. Bereits 2009 startete IBM ein nachhaltiges Transportprojekt zur Entwicklung einer Lithium-Luft-Batterie, die für Elektrofahrzeuge zu Hause geeignet ist. Es hofft, mit einer einzigen Ladung ungefähr 500 Meilen zurücklegen zu können. Kürzlich haben sich auch Asahi Kasei und die Central Glass Corporation aus Japan diesem Projekt angeschlossen. Die Forschung und Entwicklung von Forschungsinstituten und bekannten Unternehmen auf dem Gebiet der Lithium-Luft-Batterien wird die Anwendung dieser Batterietechnologie erheblich fördern.

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