Каковы преимущества твердотельных литиевых батарей?

Ожидается, что все твердотельные литий-ионные аккумуляторы с заменой традиционного органического жидкого электролита и твердого электролита будут принципиально решать проблемы безопасности аккумуляторов, это идеальная химическая энергия для электромобилей и крупномасштабные накопители энергии. Чтобы реализовать большую емкость и длительный срок службы, таким образом, чтобы способствовать практическому использованию всех твердотельных литий-ионных аккумуляторов, срочно необходима батарея разработки ключевых материалов и оптимизации производительности, включая подготовку высокой проводимости при комнатной температуре и электрохимической стабильности твердого электролита и используемых во всех материалах электродов твердотельных литий-ионных аккумуляторов с высокой энергией, улучшение совместимости поверхности раздела электрод / твердый электролит.

Представлены твердотельные батареи.

В традиционных литий-ионных батареях используется органический жидкий электролит, такой как перезарядка, внутреннее короткое замыкание в ненормальных условиях, легкое повышение температуры батареи, вздутие электролита, самовозгорание и взрыв, что создает серьезную скрытую опасность для безопасности. Разработанные в 1950-х годах полностью твердотельные. литиевая батарея с твердым электролитом, в результате использования твердого электролита, не содержит легковоспламеняющихся, летучих компонентов, исключает элементы из-за утечки дыма, огня и других проблем безопасности, известная как самая безопасная аккумуляторная система. Правительство Китая, США и Японии надеются, что разработанные в 2020 году прототипы устройств с 400 ~ 500 Вт / кг осуществят массовое производство с 2025 по 2030 год, чтобы достичь этой цели, которая сейчас признана наиболее вероятной. использование анода металлического лития, и металлический литий существует в традиционном жидком литий-ионном аккумуляторе дендрите, измельчении, SEI (пленка на границе твердого электролита) не является стабильной, прибой Побочная реакция и многие технические проблемы, а твердый электролит и совместимость металлического лития позволяют использовать литий в качестве отрицательного элемента, тем самым значительно повышая плотность энергии.

Различные виды электролитов и сравнение свойств литий-ионной аккумуляторной системы

Обзор твердого электролита.

Для твердотельных аккумуляторов твердый электролит является основным компонентом их отличной от других аккумуляторных систем, твердый электролит должен иметь идеальный рабочий температурный диапазон (особенно при комнатной температуре), поддерживать высокую литий-ионную проводимость; может игнорироваться или отсутствует импеданс границ зерен; С коэффициентом теплового расширения электродных материалов; процесс заряда и разряда батареи, материалы анодных электродов для поддержания хорошей химической стабильности, особенно анод из металлического лития или литиевого сплава; электрохимический широкий рот, высокое напряжение пробоя; непростое поглощение влаги, невысокая стоимость, технология приготовления простая, экологически чистая.

В настоящее время для производства полимерного твердого полимерного электролита в системе материала батареи используется полиэтиленоксид (ПЭО). Полимерный электролит ПЭО отличается высокой ионной проводимостью при высокой температуре, легко снимается пленкой, легко обрабатывается, а анод может быть сформирован после композитный непрерывный ионно-проводящий канал, поверхностное сопротивление анода невелико.Потенциал окисления ПЭО 3,8 В, кобальто-кислота лития, слоистые оксиды и оксиды шпинели, такие как анод с высокой плотностью энергии, трудно сопоставить, требуется модификация; во-вторых, базовый электролит ПЭО температура в 60 ~ 85 ℃, система аккумуляторов требует управления температурой, необходимость в приложениях для питания и аккумулирования энергии, особый дизайн системы аккумуляторов; опять же, этот вид литиевых аккумуляторов, используемых непосредственно в процессе зарядки и разрядки, неравномерное осаждение все еще существует на интерфейсах дендрит лития через полимерную мембрану, вызванный коротким замыканием внутри скрытой неисправности, кроме того, необходимо улучшить характеристики соотношения. Доказано. Разработка стойкости к высокому напряжению, высокой ионной проводимости при комнатной температуре и имеющего механизм блокировки дендрита лития, хороших механических свойств полимерного электролита является ключевым направлением исследований.

Неорганический твердый электролит состоит из оксида и сульфида. Было произведено мелкосерийное производство твердотельных аккумуляторов, в основном аморфных Lipton в качестве электролитных тонкопленочных аккумуляторов. Преимущество неорганического твердого электролита состоит в том, что он состоит из материала корпуса, высокая ионная проводимость может выдерживать высокое напряжение, электрохимическая, химическая и термическая стабильность, ингибирование дендрита лития имеет определенный эффект.

По сравнению с оксидом и сульфидом из-за относительно мягкости, его легче обрабатывать методом горячего прессования, готовя все твердотельные литиевые батареи. Недавно показанные твердотельные литиевые батареи могут работать даже при температуре 60 ° C при комнатной температуре, в то время как объем и качество будут значительным снижением плотности энергии, но, по крайней мере, результаты отразили твердотельные батареи с высоким выходным потенциалом. Сульфидный электролит чувствителен к воздуху, легко окисляется, вода легко выделяет вредные газы, такие как С помощью оксида сульфидного соединения или легирования эта проблема может до некоторой степени улучшиться, но, в конце концов, может удовлетворить требования к безопасности, экологически безопасные функции необходимы экспериментальной проверки. На этом этапе использование неорганического керамического твердого вещества Электролитные твердотельные аккумуляторные батареи большой емкости качество и объемная плотность энергии значительно ниже, чем у существующих жидких литий-ионных аккумуляторов.

Обзор анодных материалов.

В дополнение к твердому электролиту и материалам электродов также ключевыми факторами, влияющими на производительность твердотельных аккумуляторов, являются твердые электролиты и электродные материалы. совместимость, высокая граница раздела была затронута импедансом ионного транспорта, что приводит к низкому сроку службы, коэффициент производительности твердотельных батарей плохой.Кроме того, разработка и применение всех твердотельных литий-ионных батарей в будущем неизбежно от небольших твердотельных тонкопленочных аккумуляторов до крупных твердотельных аккумуляторов энергии, однако традиционные электродные материалы не смогли удовлетворить требованиям высокой плотности энергии. По вышеуказанным причинам исследования электродных материалов в основном сосредоточены в двух аспектах: один заключается в модификации электродных материалов и его интерфейса, улучшении электрода / выбора совместимость интерфейса rolyte; во-вторых, разработать новый электродный материал, чтобы еще больше улучшить электрохимические свойства твердотельных батарей.

Высокая плотность энергии анодного материала имеет большую емкость интеркалированного лития и высокое напряжение, в процессе зарядки и разрядки будет происходить значительное изменение объема. Использование твердого электролита в аноде и на границе раздела твердой электролитической мембраны, а также положительный внутренний контакт с поверхностью раздела твердого электролита, вероятно, произойдет изменение контакта. раствор, включающий положительные частицы на поверхности, отложения на месте или вне места или горячее прессование слоя твердого электролита; или поры положительных частиц, заполняющие определенный упругий твердый электролит, образуют непрерывная ионопроводящая фаза, похожая на жидкий электролит; Или в жидкости, введенная положительная сторона, композитная система твердое тело-жидкость. Поскольку трудно разделить впрыск жидкости на анод, введение жидкости, может ли иметь преимущества твердотельная литиевая батарея с высокой плотностью энергии и безопасностью является ключевым моментом, это зависит от внедрения электрохимических свойств с жидкими и защитными элементами, а литий-металлический электрод полностью защищен заранее. Теперь, когда безопасность существующего жидкого электролита в основном соответствует требованиям, поэтому в твердотельные батареи добавьте жидкость, чтобы уменьшить положительную сторону , контактное сопротивление должно быть как динамика, так и решения безопасности.Но можно найти работу при высоком напряжении, хорошая смачиваемость, безопасность, хорошая добавка жидкого электролита также непросто, это сам по себе жидкий литий-ионный аккумулятор является одним из основных исследований направление и техника узких мест.

Обзор анодных материалов.

Металл из-за его высокой емкости и низких потенциальных преимуществ в твердотельных батареях, один из основных анодных материалов, металлический литий в процессе циркуляции, однако, имеет производство дендрита лития, не только может уменьшить количество лития. Внедрение / взлет, более серьезным является то, что это может вызвать проблемы безопасности, такие как короткое замыкание. Другой металл Li очень активен, легко реагирует с кислородом в воздухе и воде и т. д. Сборка батареи и применение трудностей.Соединение с другим металлическим литием и сплавом является одним из основных методов решения этих проблем, материал сплава обычно имеет высокую теоретическую емкость, а активность металлического лития и снижается за счет участия других металлы, могут эффективно контролировать образование дендрита лития и электрохимическую реакцию, тем самым способствуя стабильности границы раздела. Анод из литиевого сплава, однако, имеет некоторые очевидные недостатки, m Если электрод в процессе циркуляции, то изменение объема велико, это приведет к серьезному измельчению электродов, производительность цикла резко упала, в то же время, поскольку литий все еще является активным материалом электрода, поэтому соответствующие проблемы безопасности все еще существуют. В настоящее время можно решить эти проблемы, в основном, включая синтез новых материалов из сплавов, приготовление ультратонких наносплавов и композиционных систем сплавов (таких как активный / неактивный, активный / активный, углеродный композит и пористая структура) и т. Д.

Углеродная группа материалов на основе углерода, кремния и олова является еще одной важной группой всех анодных материалов твердотельных аккумуляторов. Углерод является типичным представителем графитовых материалов, графитовый углерод подходит для внедрения ионов лития и возникновения слоистой структуры, имеет хорошую платформу для напряжение, эффективность заряда и разряда более 90%, но теоретическая емкость низкая (всего около 372 мА · ч / г) является одной из самых больших, этот вид материала и практическое применение в основном достигнут теоретический предел, не может удовлетворить потребности высокой плотности энергии.

заключение

Чтобы заменить традиционный органический твердый электролит, приготовление электролита в твердотельных аккумуляторах, можно в корне решить проблему безопасности литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время большая работа сосредоточена на разработке более высокой энергии и удельной мощности всех твердотельных литиевых аккумуляторов. ионные батареи, в продвижении высоконадежных, высокоэнергетических аккумуляторных батарей в процессе индустриализации, ключевые материалы (такие как твердый электролит, положительный и отрицательный) исследований и разработок и подготовки имеют решающее значение в одном кольце.

Разработанная твердым электролитом система ПЭО и его производных, полимерный электролит, пленочный электролит Lipton, оксиды и сульфиды, аморфный электролит и система сульфидного стеклянного электролита, ионная проводимость постоянно продвигалась. материалы твердых электролитов, включая базовый полимерный электролит PEO, электролит NASICON и оксид граната и сульфидный электролит.

Что касается электрода, помимо традиционного анода из оксида переходного металла, металлического лития, графитового анода, разрабатывается ряд высокоэффективных анодных материалов, в том числе сульфидный анодный оксидный анод высокого напряжения, высокая емкость, хорошая стабильность композита. катод и др.

Батарея является ключевым материалом для оптимизации большой емкости всей твердотельной литий-ионной аккумуляторной батареи. Промышленность заложила прочную основу, но все еще есть некоторые проблемы, которые необходимо решить, и она станет направлением развития будущего, хотя в целом существует много проблем. , перспективы развития твердотельных аккумуляторов очень яркие, замена существующих литий-ионных аккумуляторов становится основным направлением в будущих источниках питания для хранения энергии также является тенденцией The Times.

Страница содержит содержимое машинного перевода.