Анализ механизма и подавления расширения газа в батареях из титаната лития

Пространственная группа титаната лития принадлежит к Fd3m, структура шпинели, благодаря своему уникальному трехмерному каналу диффузии ионов лития, имеет преимущества превосходных энергетических характеристик и высоких и низких температур. В то же время кристаллическая структура титаната лития может поддерживать высокостабильное изменение объема менее 1% в цикле удаления иона лития, что закладывает основу для того, чтобы титанат лития стал важным материалом отрицательного электрода.

Титанат лития (Li4 Ti5O12, широко известный как LTO) относится к Fd3m, структура шпинели, благодаря своему уникальному трехмерному каналу диффузии ионов лития, имеет преимущества превосходных энергетических характеристик и высоких и низких температур. В то же время кристаллическая структура титаната лития может поддерживать высокостабильное изменение объема менее 1% в цикле удаления иона лития, что закладывает основу для того, чтобы титанат лития стал важным материалом отрицательного электрода.

Что еще более важно, он устраняет угрозу безопасности батарей и называется самым безопасным материалом отрицательного электрода литиевой батареи. По своей физической структуре титанат лития подходит в качестве материала отрицательного электрода для литиевых батарей, так каковы его электрохимические свойства? По сравнению с углеродными отрицательными материалами титанат лития имеет высокий потенциал 1,55 В относительно Li + / Li, теоретическую емкость 175 мАч / г, напряжение холостого хода 2,4 В и низкую плотность энергии и платформу напряжения.

Анализ механизма расширения и ингибирования газового расширения в батареях из титаната лития

Литий-титанатные батареи обладают такими преимуществами, как высокая безопасность, длительная подзарядка и длительный срок службы. Однако, когда титанат лития используется в качестве отрицательного электрода, батарея сильно расширяется во время цикла зарядки и разрядки, и это становится еще более серьезным при высоких температурах. Хотя исследования расширения газа в батареях из титаната лития никогда не прекращались, включая модификации углеродного покрытия, гибридные, нанометровые и т. Д., Проблема расширения газа еще не решена полностью, что препятствует продвижению на рынок батарей титаната лития.

Механизм газообразования титанатно-литиевой батареи

Академическое сообщество считает, что причина, по которой батареи титаната лития / NCM более жесткие, чем батареи графита-NCM, заключается в том, что титанат лития не может образовывать мембрану SEI на своей поверхности, как батарея графитовой отрицательной системы, ингибируя ее реакцию с электролитом. В процессе зарядки и разрядки электролит всегда находится в прямом контакте с поверхностью Li4 Ti5O12, что приводит к непрерывному восстановлению и разложению электролита на поверхности материала Li4 Ti5O12, что может быть основной причиной расширения газа. батареи Li4 Ti5O12.

Основными компонентами газа являются H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 и так далее. Когда титанат лития погружается только в электролит, образуется только CO2. После того, как он превращается в батарею с материалом NCM, полученный газ включает H2, CO2, CO и небольшое количество газообразных углеводородов и используется в качестве батареи. H2 образуется только при циркуляции и выпуске, а содержание H2 в получаемом при этом газе превышает 50%. Это указывает на то, что в процессе зарядки и разрядки будут образовываться газы H2 и CO.

LiPF6 имеет следующий баланс в электролите:

PF5 - сильная кислота, которая легко вызывает разложение карбонатов, и количество PF5 увеличивается с повышением температуры. PF5 помогает электролиту разлагаться с образованием газов CO2, CO и CxHy. Согласно соответствующим исследованиям, H2 образуется из следов воды в электролите, но содержание воды в электролите обычно составляет 20 & amp; Раз; В районе 10-6 вклад в производство H2 очень низок. Вукай из Шанхайского университета Цзяотун в эксперименте использовал графит / NCM111 в качестве батареи. Был сделан вывод, что источником H2 было разложение карбонатов под Gaodianya.

Подавление метеоризма литиево-титанатной батареи

В настоящее время существует три основных решения для предотвращения расширения газа в батареях из титаната лития. Первый - это технологическая модификация материалов отрицательного электрода LTO, включая улучшенные методы подготовки и модификацию поверхности. Во-вторых, разработать электролиты, соответствующие отрицательному электроду LTO, включая добавки и системы растворителей; В-третьих, улучшите аккумуляторную технологию.

(1) Повышайте чистоту сырья и избегайте попадания примесей в производственный процесс. Частицы примесей не только катализируют классификацию электролитов для получения газа, но также значительно снижают производительность, срок службы и безопасность литиевых батарей. Следовательно, необходимо максимально снизить попадание примесей в батареи.

(2) Поверхность титаната лития покрыта наночастицами углерода. Очевидная причина образования газа отрицательным полюсом LTO заключается в том, что мембрана SEI формируется медленно и реже, что приводит к явлению метеоризма с течением времени. Исследование показало, что создание изолирующего слоя между границей раздела между титанатом лития и электролитами (например, создание наноуглеродного покрытия на поверхности титаната лития (LTO / C), мембрана интерфейса твердого электролита (SEI), сформированная на поверхности Слой совместного покрытия, с одной стороны, уменьшает площадь контакта материала LTO с электролитом и предотвращает образование газа.

С другой стороны, углерод сам по себе может производить мембрану SEI, чтобы восполнить недостаток LTO, но также улучшить проводимость материалов LTO. Вышеупомянутые результаты исследований имеют большое значение для решения проблемы газообразования титанатных литиевых батарей и способствуют проектированию и крупномасштабному применению и разработке высокоэнергетических элементов питания из титаната лития.

(3) Улучшить функциональность электролитов. Для разработки новых электролитов многие патенты стремятся использовать добавки, способствующие образованию плотных мембран SEI на поверхности LTO, чтобы ингибировать возникновение LTO и побочных реакций на границе раздела электролита. Некоторые добавки к электролиту, такие как фторированные карбонаты и фосфаты, способствуют образованию стабильных мембран SEI на положительных поверхностях, уменьшая растворение ионов металлов на положительных поверхностях, тем самым уменьшая образование газа.

Мембранообразующие добавки также могут ингибировать количество выделяемого газа. Добавленные мембранные добавки представляют собой соль бората лития, Дингерджинг или адиенитрил, структурные соединения R-CO-CH = N2 (где R представляет собой алкил или фенил с C1 по C8), циклические сложные эфиры фосфорной кислоты, производные фенила, производные фенилацетилена, добавки LiF и т. д. Эти пленкообразующие добавки способствуют образованию мембран SEI на поверхности LTO, что в некоторой степени препятствует возникновению метеоризма.

(4) Положительное полярное покрытие поверхности. Покрытие стабильного соединения на положительной поверхности, такой как оксид алюминия, может эффективно ингибировать растворение ионов металлов. Однако слишком сложное покрытие будет препятствовать расслоению ионов лития и влиять на электрохимические свойства материалов.

(5) Улучшение процесса производства аккумуляторов. Производство аккумуляторов, для контроля влажности окружающей среды, введение технологической воды. Из причины, по которой образуется газ, можно видеть, что вода в воздухе реагирует с положительным материалом с образованием карбоната лития и ускоряет разложение электролита с образованием диоксида углерода. Кроме того, сам материал титаната лития обладает сильным водопоглощением (что необходимо для работы в сухой камере). После того, как отрицательный электрод поглотит воду, он вступит в реакцию с PF5, образующимся в результате обратимого разложения электролита, с образованием H2, поэтому необходим строгий контроль воды.

Страница содержит содержимое машинного перевода.