Безопасность и электроды большой емкости - главные приоритеты для прорывов в литиевых батареях.

В настоящее время в отрасли принято считать, что ближайшей целью технологии литиевых батарей является достижение 300 Вт · ч / кг за счет тройного положительного полюса с высоким содержанием никеля и отрицательного полюса из кремниевого углерода. Среднесрочная цель (2025 г.) заключается в достижении мономера 400 Вт · ч / кг на основе литий-марганцевого отрицательного электрода с высокой емкостью Si-C; В будущем будут разработаны литиево-серные и пустые литиевые батареи для достижения удельной энергии мономера 500 Вт · ч / кг.

В статье «Почему литий-сера / литиевая разряженная батарея не имеет перспектив применения силовой батареи», профессор Ай Синьпин из Уханьского университета признал осуществимость краткосрочных и среднесрочных целей и подробно обсудил причины, по которым литиево-серая / литиевая батарея разряжена не имеет перспективы применения аккумуляторной батареи. В «инновационных материалах сердечника литиевых батарей, где же выход?» В этой статье также обсуждается решение, связанное с литиевыми электрическими материалами следующего поколения.

Но на самом деле, помимо некоторых инноваций в материалах ядра, разработка литиевых батарей имеет много технических проблем. Такие как проблемы безопасности батареи, технология проектирования электродов с высокой нагрузкой и так далее.

1. Безопасность батареи.

В 2016 году три блока, которые взяли на себя разработку проекта батареи 300 Вт / кг, не соответствовали требованиям оценки безопасности батареи. Однако то, можно ли будет загрузить аккумулятор 300 Вт / кг в автомобиль в 2020 году, на самом деле является проблемой не производительности, а безопасности.

Среди них разложение и экзотермический эффект положительного электрода - важный фактор, способствующий оттоку тепла от батареи. Возьмем для примера три вида сырья, независимо от того, является ли он тройным или общим тройным никелем, их термическая стабильность намного хуже, чем фосфат лития-железа, не только выделяется большое количество тепла, но и температура разложения низкая, что приведет к наши будущие проблемы с безопасностью аккумуляторов будут более серьезными. Конечно, для решения проблемы безопасности, с трех сторон, материалов, мономера, системы всесторонней работы.

Ай Синьпин считает, что из безопасности всего решения материал является основой, какой материал определяет, какой вид безопасности; Мономеры являются ключевыми, хорошие и плохие определяются мономерами; Система является защитой, литий-ионный мономер имеет тепловой разгон и не вызывает всего остального.

Здесь обсуждаются лишь некоторые решения на уровне мономеров.

Первая идея - разработать технологию тепловой защиты с самовозбуждением аккумуляторной батареи.

Литиевые батареи не обладают термочувствительными свойствами, а высокие температуры могут вызвать выброс тепла. Если в батарее есть термочувствительный материал, который может эффективно блокировать передачу электронов и ионов при высоких температурах, батарея автоматически прекращает свою реакцию в неблагоприятных условиях, чтобы избежать дальнейшего повышения температуры.

Самый простой способ сделать это - использовать в батареях материалы PTC для достижения температурной чувствительности. Материалы PTC используются во многих областях, но не в батареях. Материалы PTC характеризуются хорошей проводимостью при комнатной температуре; Когда достигается определенная температура перехода, сопротивление резко возрастает от проводника к изолятору, тем самым перекрывая передачу электронов от электрода.

Также было обнаружено, что некоторые проводящие полимеры обладают эффектом ПТК и растворимы. Из этого материала можно получить очень тонкие покрытия. Например, полимер P3OT имеет относительно высокую проводимость при 30-80 градусах, но сразу изменяется на три порядка при 90-110 градусах. Покрытие составляет менее 1 микрона и 600 нанометров, что не повлияет на удельную энергию батареи. Материал демонстрирует термозакрывающиеся свойства при 120 градусах, что значительно повышает безопасность батареи при перезарядке, горячем боксе, акупунктуре и других условиях.

Кроме того, тепловое закрытие диафрагмы также является жизнеспособным вариантом. Существующая трехслойная диафрагма имеет функцию теплового отключения. Нормальная диафрагма, температура обтуратора которой определяется температурой плавления полиэтилена, составляет около 135 градусов. Температура плавления определяется точкой плавления ПП, около 165 градусов. Поскольку температура обтюратора слишком высока, тепловая инерция легко приведет к тому, что температура батареи продолжит повышаться до 165 градусов после термического замыкания, что приведет к расплавлению диафрагмы и короткому замыканию батареи. Следовательно, эффект тепловой защиты обычной диафрагмы ограничен.

Если на поверхность диафрагмы наносится слой пластиковых микропор, поверхностный слой микросфер плавится при достижении температуры плавления микросфер. Шар расплавился и забил отверстие в диафрагме. В результате отверстия на поверхности электродов, на которые обращены микросферы, блокируются, что дает замечательные результаты. Поскольку транспорт ионов прекращается, реакция батареи прекращается, и батарея находится в безопасности.

Второй способ решить проблему безопасности - разработать полностью твердотельные батареи.

Фактически, твердотельные батареи очень перспективны с точки зрения увеличения объемной плотности энергии. По мере увеличения плотности батареи объемная плотность энергии становится все более важной для легковых автомобилей. Согласно отзывам 57-й японской конференции по аккумуляторным батареям, некоторые исследовательские институты в Южной Корее и Японии проводят исследования твердотельных аккумуляторов, а некоторые крупные аккумуляторные компании, такие как ATL в Китае, также проводят исследования в этой области.

По сравнению со всеми твердыми и жидкими веществами, основным преимуществом является высокая безопасность, еще одна особенность заключается в достижении внутреннего ряда, что способствует повышению плотности энергии модуля и системы. Однако его интерфейсное напряжение велико, а стабильность плохая. Твердый электролит должен полностью контактировать с частицами активного материала, иначе передача иона лития не может быть реализована. Однако любой электродный материал, будь то графит или тройной материал, будет изменять объем во время зарядки и разрядки. Как только разделение твердого вещества / твердого вещества вызвано изменением объема, проводимость ионов лития будет заблокирована, и производительность батареи быстро снизится.

Поэтому одним из приоритетов всей разработки твердотельных аккумуляторов является выбор твердых электролитов. Во-вторых, технология построения твердого / твердого интерфейса и технология стабилизации, есть трюк, если чистый твердый электролит не может сделать, лучший способ - неорганический и полимерный гибрид; В-третьих, развитие технологий производства и специального оборудования. Твердотельные батареи, безусловно, не производятся так, как мы.

2. Технология создания высоконагруженного электрода.

С увеличением плотности энергии проблема конструкции электродов становится более серьезной. Доля активных материалов в батарее является важным фактором, влияющим на удельную энергию батареи. Одинаковые положительные и отрицательные материалы, одинаковая граммовая емкость, если батарея имеет относительно небольшую долю массы активного материала, плотность энергии батареи низкая. Поэтому, чтобы увеличить плотность энергии, убедитесь, что вы заполняете как можно больше активных материалов из того же веса батареи. Более активными материалами должны быть вспомогательные материалы, медная фольга для уменьшения, алюминиевая фольга для уменьшения; Фактически, наиболее важно сделать электрод толстым, а также уменьшить сбор жидкости и количество диафрагмы.

Однако литий-ионный электрод нельзя сделать толстым, и после толщины поляризация поверхности электрода станет больше, и коэффициент использования электрода в направлении толщины будет снижен, и это вызовет такие проблемы, как отделение лития от отрицательный электрод и разложение положительного электрода в процессе зарядки. Что касается увеличения плотности энергии, будем надеяться, что чем толще, тем лучше; Но теория поляризации говорит нам, что чем тоньше, тем лучше. С увеличением плотности энергии, такой как мономер на 100 Вт · ч / кг, теперь она становится 300 Вт · ч / кг, что означает, что ток, переносимый материалом на единицу веса, увеличивается синхронно. Следовательно, очень сложно поддерживать энергетические характеристики будущих батарей с высокой плотностью энергии, поэтому технология проектирования электродов с высокой нагрузкой становится все более и более важной.

Есть способы разрешить это противоречие. Чем ближе вы подходите к мембране, тем больше ток жидкости, и этот ток является внешним током; В направлении толщины пластины ток жидкой фазы медленно уменьшается, а ток твердой фазы постепенно увеличивается. Следовательно, чем ближе к диафрагменному электроду, тем выше должна быть пористость, а чем ближе к полярной жидкости электрода, тем ниже может быть пористость электрода. Следовательно, чтобы обеспечить высокую плотность энергии и мощность, мы должны разработать электрод с градиентным распределением пор. С применением новых материалов и повышением плотности энергии батареи конструкция электрода с градиентной пористостью становится все более и более важной. Что касается градиента до какой степени, то не методом проб и ошибок, проб и ошибок построить поляризационную модель очень сложно.

Наконец, резюме профессора ай синьпина из Уханьского университета:

1) литий-ионная батарея по-прежнему находится в центре внимания разработки аккумуляторных батарей, которые могут решить проблемы низкоцикловой кулоновской эффективности кремниевого отрицательного электрода и ослабления напряжения на основе, богатой литий-марганцем, и, как ожидается, разработают усовершенствованную литий-ионную аккумуляторную батарею со специальными энергия, превышающая 400 Вт · ч / кг.

2) в долгосрочной перспективе инновационные литий-ионные батареи более осуществимы, чем литий-серные и литиево-воздушные. Разработка анода с высоким содержанием лития на основе механизма компенсации анионного заряда может позволить разработать силовые батареи с удельной энергией более 500 Вт · ч / кг.

3) безопасность определяет перспективу применения нагрузки аккумуляторных батарей с высокой удельной энергией. Разработка технологии самопроизвольного терморегулирования и полностью твердотельных батарей является возможным решением, которое необходимо активизировать.

4) электрод с высокой нагрузкой является основой для реализации высокой удельной энергии аккумулятора. В соответствии с новой поляризацией, разработка электрода с градиентной пористостью имеет важную роль и значение для разработки батареи с высокой удельной энергией.

Страница содержит содержимое машинного перевода.