Обзор тенденций развития технологий материалов для литиевых батарей

Благодаря развитию транспортных средств на новой энергии аккумуляторные батареи быстро развиваются, и разработка транспортных средств на новой энергии также выдвигает более высокие требования к характеристикам аккумуляторных батарей. В Плане действий по содействию развитию индустрии автомобильных аккумуляторов предлагается упомянуть: к 2020 году удельная энергия новой литий-ионной аккумуляторной батареи превысит 300 Вт · ч / кг, а к 2025 году удельная энергия новой системной аккумуляторной батареи будет достичь 500 Вт / кг.

В соответствии с двойным движением политики и рынка аккумуляторная батарея должна развиваться в направлении высокой плотности энергии, высокой производительности цикла, высоких показателей безопасности и т. Д., Что требует от исследовательских институтов и предприятий совершенствования катодных материалов, анодных материалов и электролитов. Направление твердотельных аккумуляторов, кремний-углеродных анодов, тройных материалов с высоким содержанием никеля и марганцевых анодов с высоким содержанием лития считается основным технологическим направлением, разработанным предприятиями в последние годы.

Положительный электрод на основе марганца с высоким содержанием лития: идеальный материал с низким содержанием драгоценных металлов

В 2025 году технической целью одиночного элемента является достижение удельной энергоэффективности 400 Втч / кг. Это горячая точка исследований для разработки и замены существующего дефектного катодного материала на новый тип катодного материала, который является более эффективным и энергосберегающим. Среди известных материалов положительного электрода материал положительного электрода на основе богатого литием марганца имеет удельную разрядную емкость 250 мАч / г или более, что почти вдвое превышает фактическую емкость выпускаемого в настоящее время материала положительного электрода; а материал дешевле марганца. В основном, содержание драгоценных металлов невелико по сравнению с обычно используемыми материалами трехкомпонентного катода на основе оксида лития-кобальта и никель-кобальт-марганца, что обеспечивает не только низкую стоимость, но и хорошую безопасность. Поэтому катодные материалы на основе марганца с высоким содержанием лития считаются идеальными материалами для литий-ионных аккумуляторов следующего поколения.

Сколько времени нужно, чтобы достичь 500 Вт · ч / кг? Обзор тенденций развития технологий материалов для литиевых батарей

Многие компании, включая Dangsheng Technology, Jiangte Electric и AVIC Lithium, активизируют исследования и разработки катодных материалов на основе марганца с высоким содержанием лития. Институт физики Китайской академии наук улучшил спад напряжения цикла положительного электрода на основе лития на основе марганца, достигнув цели по снижению затухания напряжения до менее 2% через 100 недель и добился значительного прогресса. Команда Пекинского университета впервые разработала положительный электрод на основе марганца с высоким содержанием лития с удельной емкостью 400 мАч / г, которая может достигать целевого показателя в 400 Втч / кг.

В настоящее время полное применение положительного электрода на основе марганца с высоким содержанием лития связано с техническими проблемами уменьшения первой необратимой потери емкости, повышения быстродействия и продолжительности цикла, а также подавления спада напряжения в циклическом процессе.

Трехкомпонентный материал с высоким содержанием никеля: 2018 год - первый год разработки

Согласно исходному исследованию, производство никель-кобальт-марганца в 2018 году достигнет 47 ГВтч, что на 32% выше, чем в прошлом году, в то время как производство оксида лития-кобальта составит всего 19 ГВтч, что всего на 5% выше, чем в прошлом году. Ограниченные дефицитом кобальта и ростом цен на кобальт, компании-производители батарей активно продвигают высокое содержание никеля в тройных материалах и снижают стоимость кобальта в батареях. Содержание кобальта в NCM811 составляет всего 6,06%.

Никель-кобальт-марганцевые материалы обладают высокой плотностью энергии, стабильными электрохимическими характеристиками, высокой емкостью и низкой стоимостью и в будущем постепенно вытеснят литий-железо-фосфатные и обычные тройные батареи. В настоящее время Dangsheng Technology, Shanshan, Betray и другие предприятия уже имеют условия массового производства NCM811, и 2018 год считается первым годом разработки тройных материалов с высоким содержанием никеля.

Твердотельный аккумулятор: твердый материал заменяет диафрагму и электролит

Все твердотельные батареи признаны в промышленности и академических кругах как одно из основных направлений разработки аккумуляторов на следующем этапе.

Сколько времени нужно, чтобы достичь 500 Вт · ч / кг? Обзор тенденций развития технологий материалов для литиевых батарей

С одной стороны, технология полностью твердотельных аккумуляторов - это единственный способ уменьшить размер аккумулятора и сделать его более тонким. Объем диафрагмы и электролита в сумме составляет почти 40% от объема батареи. Если диафрагму и электролит заменить твердыми материалами, расстояние между положительным и отрицательным электродами можно сократить до нескольких микрон, а толщина батареи значительно уменьшится.

С другой стороны, по сравнению с обычной литиевой батареей, плотность энергии полностью твердотельной батареи значительно увеличивается, которая может достигать 300-400 Втч / кг, в то время как литий-ионная батарея обычно составляет 100-220 Втч / кг. Высокая безопасность также является одним из важных движущих факторов при разработке полностью твердотельных батарей. С точки зрения безопасности традиционный электролит литиевой батареи представляет собой органическую жидкость, которая при высоких температурах окисляется и разлагается с образованием газа, который склонен к возгоранию и значительно увеличивается. Небезопасно, если электролит заменить твердым материалом, характеристики безопасности батареи значительно улучшатся.

В настоящее время полимерная твердотельная батарея, разработанная Институтом энергетических исследований Циндао Китайской академии наук, имеет плотность энергии 300 Вт · ч / кг. Неорганическая твердая литиевая батарея, разработанная Институтом материалов Нинбо Китайской академии наук, имеет плотность энергии 240 Вт · ч / кг. Кроме того, агентство сотрудничает с Yanfeng Lithium Industry. Его индустриализация и массовое производство продукта запланированы на 2019 год. В отрасли компании-лидеры в области производства аккумуляторов, включая Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi и Ningde Times, инвестировали в исследования и разработки и внедрение твердотельных аккумуляторов.

Твердотельные батареи, несомненно, станут одним из основных направлений развития технологий будущего. Однако по-прежнему существуют такие проблемы, как высокая стоимость, сложный процесс приготовления и недостаточная зрелость. В целом характеристики батареи низкие, внутреннее сопротивление велико, а падение напряжения велико при высокой скорости разряда. Также нужно решить такие проблемы, как быстрая зарядка и нереальность. Еще есть путь к крупномасштабной коммерциализации.

Отрицательный кремниево-угольный электрод: через два-три года начнется вспышка болезни.

Кремний-углеродный материал в настоящее время является наиболее коммерческим новым анодным материалом с высокой плотностью энергии. SPIR ожидает, что промышленность кремний-углеродных материалов столкнется с крупномасштабным этапом производства анодных материалов для литиевых батарей во второй половине 2018 года, а также в ближайшие два-три года. Это обязательно приведет к серьезной вспышке, и у отрасли есть широкие перспективы.

Сколько времени нужно, чтобы достичь 500 Вт · ч / кг? Обзор тенденций развития технологий материалов для литиевых батарей

Сверхвысокая теоретическая плотность энергии композитов кремний-углерод может значительно увеличить удельную емкость мономера, а также обладает такими преимуществами, как низкое напряжение деинтеркаляции лития и экологичность. Считается, что это идеальный анодный материал для замены графита в следующем поколении. С развитием транспортных средств на новой энергии удельная энергия аккумуляторных батарей постоянно требует более высоких требований, и в будущем графит будет постепенно заменяться кремний-углеродными анодными материалами.

По состоянию на декабрь 2017 года 8 ведущих компаний по производству анодных материалов в Китае в основном расширяют свои производственные мощности кремний-углеродных материалов, и многие новые участники в различных отраслях участвуют в компоновке кремний-углеродных анодных материалов. Новые мощности будут в 2018-2019 годах. BYD, Ningde Times, Guoxuan Hi-Tech, Betray, Shanshan, Lishen, BAK, Wanxiang и т. Д. Запустили компоновку кремниево-углеродных анодных материалов.

Хотя современные кремниево-углеродные анодные материалы все еще имеют проблемы, такие как высокая стоимость, техническая сложность и несовершенные вспомогательные отрасли, перспектива реализации крупномасштабных приложений по-прежнему остается многообещающей.

Страница содержит содержимое машинного перевода.