Полностью твердотельные литиевые батареи

В настоящее время аккумуляторные системы, выбранные китайскими производителями автомобилей с новой энергией, в основном включают трехкомпонентную систему из материалов / графита, литий-железо-фосфатную / графитовую систему и трехкомпонентные батареи / систему из титаната лития. Типичные автомобильные предприятия, которые выбирают аккумулятор sanyuan, - это geely, chang 'an, baic, saic, jac и т. Д. Типичные автомобильные предприятия, которые выбирают литий-железо-фосфатные аккумуляторы, - byd, а типичные автомобильные предприятия, производящие аккумуляторы sanyuan / литий-титанат, - zhuhai yinlong .

В марте 2017 года министерство промышленности и информационных технологий и четыре других министерства и комиссии совместно обнародовали план действий по продвижению разработки автомобильных аккумуляторных батарей, указав, что к 2020 году удельная энергия нового литий-ионного силового мономера шенчи должна быть превышают 300 Втч / кг. Удельная энергия системы стремится достичь 260 Втч / кг.

Судя по исходным материалам для трех типов батарей, удельная энергия мономера, превышающая 300 Вт · ч / кг, недостижима для литий-железо-фосфатных и литий-титанатных батарей. В настоящее время таким требованиям могут соответствовать только тройные материалы. Выше приведено сравнение трех систем материалов литиевых батарей. Хотя тройная батарея имеет более высокую плотность энергии, чем другие батареи, она ИСПОЛЬЗУЕТ жидкий электролит, что представляет большой риск для безопасности. В отрасли существует консенсус в отношении того, что твердые электролиты могут решить проблемы безопасности литиевых батарей.

Твердотельные батареи - не новая концепция, и Apple запатентовала их еще в 2012 году. Твердотельные батареи - это батареи с твердотельными электродами и твердотельными электролитами. Материал анода твердотельной батареи не сильно отличается от материала батареи с жидким электролитом, а материал анода в основном состоит из металлического лития, литиевого сплава или графена. Все эти факторы в совокупности образуют прочную литий-ионную батарею. В настоящее время твердотельные литиевые батареи можно разделить на батареи с неорганическим твердым электролитом и полимерные твердотельные литиевые батареи. Разработка твердотельных литиевых батарей в основном зависит от разработки материалов с твердым электролитом.

Материалы с твердым электролитом

Для твердотельных батарей выбор подходящих материалов для твердотельных электролитов является основным содержанием конструкции батареи. Обычно требования к характеристикам электролитов следующие:

(1) проводимость при высокой комнатной температуре;

(2) электроны не могут пройти, но ионы лития могут;

(3) ширина электрохимического окна;

(4) хорошая совместимость с электродными материалами;

(5) хорошая термическая стабильность, влагостойкость, отличные механические свойства;

(6) доступность сырья, низкая стоимость, простой метод синтеза.

Полимерный электролит

В литиево-ионных проводниках на основе органических полимеров ионы лития «растворяются» в полимерной матрице в виде солей лития. Электропроводность является ключевым параметром, характеризующим качество электролита, а скорость передачи в основном зависит от взаимодействия с субстратом и активности сегмента цепи. Повышение активности сегмента цепи способствует улучшению проводимости по иону лития.

В настоящее время наиболее изученным полимерным твердым электролитом является ПЭО (полиэтиленоксид) и его производные, комплексный полимерный электролит на основе солей лития. Полимеры PEO также обладают хорошей ионной проводимостью и хорошими технологическими свойствами при более высоких температурах. Однако полимерные электролиты PEO также имеют проблемы, такие как низкая ионная проводимость при комнатной температуре и плохая совместимость с анодом из металлического лития.

2. Неорганический твердый электролит

Среди неорганических твердых электролитов первый галогенидный электролит имеет низкую проводимость. Эти разработанные на раннем этапе материалы все еще имеют проблемы с нестабильными химическими свойствами и сложностью приготовления.

И сульфидный электролит, и оксидный электролит содержат стекло, керамику и стеклокерамику (стеклокерамику) в трех различных кристаллических состояниях. В общем, проводимость сульфидов часто значительно выше, чем у оксидов того же типа из-за слабого связывающего эффекта S на Li по сравнению с O, что способствует миграции Li +.

Оксидный электролит имеет высокую устойчивость к воздуху и теплу, низкую стоимость сырья и простоту крупномасштабного приготовления. В оксидном электролите аморфный (стеклянный) оксидный электролит имеет низкую проводимость при комнатной температуре и чувствителен к водяному пару в воздухе, поэтому для приготовления часто требуется высокотемпературная закалка, которую трудно использовать в реальных батареях.

В оксиде ионы лития проводят проводимость в зазоре каркасной структуры, состоящей из намного большего количества O2-, ослабляя взаимодействие li-o, реализуя трехмерную передачу ионов лития и оптимизируя отношение концентрации ионов лития к концентрации вакансий в пропускании. канал способствуют улучшению проводимости ионов лития. На основе этих идей последовательно возникли некоторые проводящие материалы из оксида лития со сложной структурой, среди которых типичными являются структурная система типа граната, структурная система перовскита и структурная система проводников быстрых ионов натрия. Однако из этих материалов только гранатовая структура материальной системы устойчива к металлическому литию. Материалы с высокой проводимостью в двух других структурах содержат Ti, Ge и другие элементы, которые могут быть восстановлены металлическим литием. Кроме того, материал системы с гранатовой структурой обладает хорошей устойчивостью к воздуху, низкой стоимостью сырья и высокой механической прочностью спеченного тела, поэтому он может широко использоваться в качестве идеального твердого электролита в твердотельных литиевых батареях.

II. Проблемы, которые нужно решить

Целью введения твердого электролита в литиевую батарею является преодоление ограничений по току органического электролита и улучшение плотности энергии, удельной мощности, диапазона рабочих температур и безопасности батареи. Однако для истинного достижения этих целей все же необходимо сначала решить некоторые проблемы, существующие в самом существующем материале электролита и на границе раздела с электродом.

Например, повышение плотности энергии требует использования анодных материалов с низким потенциалом и высокой емкостью, а также анодных материалов с высоким потенциалом и высокой емкостью. В этом случае электрохимическое окно с ограниченным содержанием полимера и сульфида часто трудно непосредственно применить в случае высокого напряжения. Повышение удельной мощности требует улучшения проводимости электролита, что по-прежнему является большой проблемой.

В-третьих, резюме

Твердотельная литиевая батарея имеет чрезвычайно высокий уровень безопасности, а ее твердый электролит негорючий, не вызывает коррозии, не летуч и не содержит жидкости. В то же время он также преодолевает явление дендрита лития, и вероятность самовозгорания автомобиля, оснащенного полностью твердотельной литиевой батареей, будет значительно снижена. Текущая плотность энергии твердотельной литиевой батареи составляет около 400 Втч / кг, а расчетный максимальный потенциал составляет 900 Втч / кг. Однако еще предстоит решить некоторые проблемы, связанные с повышением плотности энергии и удельной мощности твердотельных батарей, которые должны начинаться с твердого электролита и материалов анода и катода. Как только эти проблемы будут эффективно решены, в будущем, безусловно, начнется новая революция в области аккумуляторов.

Страница содержит содержимое машинного перевода.