Состав литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы разработаны на основе литиевых аккумуляторов. Поэтому, прежде чем вводить литий-ионные аккумуляторы, представьте литиевые батареи. Например, батарейки-пуговицы, использовавшиеся в предыдущей камере, принадлежали литиевым. Материал положительного электрода литиевой батареи - диоксид марганца или тионилхлорид, а отрицательный электрод - литий. После сборки аккумулятора аккумулятор находится под напряжением и не требует подзарядки. Эта батарея также может быть заряжена, но производительность цикла оставляет желать лучшего. Во время цикла зарядки и разрядки дендриты лития легко образуются, что приводит к короткому замыканию в батарее. Поэтому использование этого типа батарей вообще запрещено. Заряжать. Позже японская корпорация Sony изобрела отрицательный электрод из углеродных материалов и положительный электрод из литийсодержащих соединений. Во время процесса зарядки и разрядки не было металлического лития, только ионы лития, которые были литий-ионными батареями. Когда батарея заряжена, ионы лития генерируются на положительном электроде батареи, и образующиеся ионы лития перемещаются через электролит к отрицательному электроду. Углерод как отрицательный электрод имеет слоистую структуру. В нем много микропор. Ионы лития, которые достигают отрицательного электрода, внедряются в микропоры углеродного слоя. Чем больше встроено ионов лития, тем выше зарядная емкость. Точно так же, когда батарея разряжена (то есть, когда мы используем батарею), ионы лития, внедренные в отрицательный углеродный слой, удаляются и возвращаются к положительному полюсу. Чем больше ионов лития возвращается к положительному полюсу, тем выше разрядная емкость. То, что мы обычно называем емкостью аккумулятора, относится к разрядной емкости. В процессе зарядки и разрядки литий-ионных ионов ионы лития находятся в состоянии движения от положительного полюса → отрицательного полюса → положительного полюса. Li-ion Gates похож на кресло-качалку. Концы кресла-качалки - это полюса батареи, и ионы лития бегают в кресле-качалке взад и вперед, как спортсмены. Поэтому литий-ионные аккумуляторы еще называют батареями для кресел-качалок.

1, Характеристики и общие методы подготовки 1 катодных материалов

Важным параметром для характеристики транспортных свойств ионов в положительных полюсах является коэффициент химической диффузии. В целом коэффициент диффузии ионов лития в активных веществах с положительной полярностью относительно низок. Литий встраивается в положительный материал или удаляется из него, что сопровождается изменением фазы кристалла. Следовательно, электродные мембраны литий-ионных батарей очень тонкие, обычно порядка нескольких десятков микрометров. Литиевые соединения катодных материалов представляют собой временные контейнеры для хранения ионов лития в литий-ионных батареях. Чтобы получить более высокое напряжение батареи, предпочтительны соединения с литием с высоким потенциалом. Положительные материалы должны удовлетворять:

1) Электрохимическая совместимость с раствором электролита в требуемом диапазоне потенциалов заряда и разряда;

2) Умеренная динамика электродного процесса;

3) Высокая обратимость;

4) Стабильность на воздухе в полностью литированном состоянии.

Основное внимание в исследованиях уделяется соединению слоистой структуры LiMO2 и шпинели LiM2O4, а также аналогичным электродным материалам двух видов M (M - ион переходного металла, такой как Co, Ni, Mn, V). В качестве материала положительного электрода для литий-ионных аккумуляторов степень структурных изменений и обратимость ионов Li + во время деинтеркаляции и заделки определяют стабильные свойства повторяющейся зарядки и разрядки аккумулятора. При приготовлении материала положительного электрода свойства сырья и условия процесса синтеза будут влиять на конечную структуру. Для уменьшения емкости во время циклирования использовались различные перспективные катодные материалы, что является основной проблемой исследований. Имеющиеся в продаже материалы для положительного электрода: Li1-xCoO2 (0 <x <0,8), Li1-xNiO2 (0 <x <0,8), LiMnO2 [7] [8]. У них есть преимущества и недостатки как материалы положительного электрода для литий-ионных батарей. Литий-ионный аккумулятор с оксидом лития-кобальта в качестве положительного электрода обладает такими преимуществами, как высокое напряжение холостого хода, большая удельная энергия, длительный срок службы, быстрая зарядка и разрядка и т. Д., Но безопасность невысока; Оксид лития-никеля дешевле оксида лития-кобальта, а его характеристики эквивалентны оксиду лития-кобальта. Он имеет отличные характеристики интеркаляции лития, но его сложно приготовить; в то время как оксид лития-марганца дешевле, его относительно легко приготовить, и его избыточная зарядка и характеристики безопасности хорошие, но его способность вводить литий мала, а структура шпинели не заряжается и не разряжается. стабильный. С точки зрения перспектив применения, исследование катодных материалов литий-ионных аккумуляторов станет поиском обильных ресурсов, низкой стоимости, отсутствия загрязнения окружающей среды и низких требований к контролю напряжения и защите цепей во время перезарядки. Сосредоточьтесь. В зарубежных странах сообщалось, что LiVO2 также может образовывать слоистое соединение, которое можно использовать в качестве материала положительного электрода [9]. Из этих отчетов видно, что, хотя химический состав материалов электродов одинаков, рабочие характеристики больше изменяются после изменения процесса подготовки. Успешные коммерческие электродные материалы имеют свои уникальные особенности в процессе приготовления, что является пробелом в текущих исследованиях в Китае. Ниже перечислены преимущества и недостатки различных методов приготовления.

1) В твердофазном методе обычно используются соли лития, такие как карбонат лития и соединения кобальта, или соединения никеля после измельчения и смешивания для проведения реакций спекания [10] И ... Преимущество этого метода в том, что процесс прост и сырье легко получить. Он принадлежит к методу, который широко изучался и развивался на ранних этапах разработки литий-ионных батарей. Зарубежные технологии более зрелые. Недостатками являются ограниченная емкость положительного материала, плохая однородность смешивания исходных материалов, низкая стабильность характеристик подготовленного материала и низкое качество согласованности между партией и партией.

2) Комплексный предшественник, содержащий ионы лития и ионы кобальта или ванадия, сначала получают комплексным методом, а затем спекают. Преимущество этого метода состоит в том, что молекулярный масштаб смешанный, однородность материала и стабильность работы хорошие, электрическая емкость катодного материала выше, чем у твердофазного метода, а метод индустриализации, используемый в качестве литий-ионной батареи, имеет не тестировался за рубежом. Технология еще не развита, и в Китае мало сообщений.

3) Золь-гель метод, разработанный в 1970-х годах.

Способ получения сверхмелкозернистых частиц и подготовки катодных материалов имеет преимущества комплексного метода, а электрическая емкость приготовленных электродных материалов была значительно улучшена, что является методом, который быстро развивается в стране и за рубежом. Недостаток в том, что стоимость высока, а технология все еще находится в стадии разработки [11].

4) LiMnO2, полученный методом ионного обмена Armstrong et al. методом ионного обмена получено высокое значение обратимой разрядной емкости 270 мА · ч / г. Этот метод стал новой горячей точкой исследования. Он имеет стабильные электродные характеристики и высокую емкость. Функции. Однако этот процесс включает в себя трудоемкие этапы, такие как выпаривание при кристаллизации раствора, и до практического применения еще далеко.

При изучении положительных материалов из зарубежной литературы видно, что его емкость увеличивается со скоростью от 30 до 50 мА · ч / г в год, и его развитие, как правило, представляет собой встроенные в литий соединения с все меньшими и меньшими микроструктурами и большей емкостью. Масштаб сырья приближается к нанометровому уровню, и теоретические исследования структуры соединений, содержащих литий, достигли определенного прогресса, но теория его развития все еще меняется. Проблема увеличения емкости литиевых батарей и уменьшения циклической емкости, которая беспокоит эту область, была предложена исследователями для добавления других компонентов для решения этой проблемы [12] [13] [14] [15] [16] [17] И ... Однако в настоящее время теоретический механизм этих методов до конца не изучен, считает ведущий японский ученый Йошио. Ниши считает, что за последнее десятилетие в этой области не было значительного прогресса, и необходимо срочно изучить ее дальше.

2, Свойства и общие методы подготовки 2-отрицательных поляризованных материалов

Электропроводность материала отрицательного электрода обычно выше, и выбирается соединение с литиевой примесью с потенциалом, максимально близким к потенциалу лития, такое как различные углеродные материалы и оксиды металлов. Требования к материалу отрицательного электрода для обратимого внедрения и удаления ионов лития включают:

1) Небольшое изменение свободной энергии в реакции погружения ионов лития;

2) Литий-ионный имеет высокую скорость диффузии в твердой структуре отрицательного электрода;

3) Сильно обратимая реакция встраивания;

4) Хорошая проводимость;

5) Термодинамически устойчив и не реагирует с электролитами.

Исследовательская работа в основном сосредоточена на углеродных материалах и других оксидах металлов со специальной структурой. Графит, мягкий углерод и углеродные микросферы со средней фазой были разработаны и исследованы в Китае. Твердый углерод, углеродные нанотрубки и бакки-шар C60 изучаются [18] [19] [20] [21] [22] [23]. Японская компания Honda Research and Development Co. K. of Ltd. Сато и др. в качестве отрицательного электрода использовали продукт пиролиза полипарафенилена (PPP) PPP-700 (нагрев PPP до 700 ° C при определенной скорости нагрева и растворение полученного продукта в течение определенного периода времени) в качестве отрицательного электрода, а обратимая емкость была столь же высокой. насколько возможно. 680 мА · ч / г. MJ Matthews из Массачусетского технологического института, США, сообщил, что емкость литиевого аккумулятора PPP-700 (емкость хранения) может достигать 1170 мА · ч / г. Если емкость литиевого аккумулятора составляет 1170 мА · ч / г, и по мере увеличения количества литиевой вставки, и, таким образом, производительность литий-ионной батареи улучшается, автор полагает, что будущие исследования будут сосредоточены на меньшей наноразмерной интеркаляции лития. микроструктура. Одновременно с исследованием углеродных отрицательных электродов уделялось внимание поиску других материалов отрицательных электродов с потенциалами, аналогичными потенциалу Li + / Li. Углеродные материалы, используемые в литий-ионных батареях, связаны с двумя проблемами:

1) Запаздывание по напряжению, то есть реакция встраивания лития осуществляется в диапазоне от 0 до 0,25 В (относительно Li + / Li), а реакция извлечения происходит около 1 В;

2) Мощность рециркуляции постепенно снижается. После 12-20 циклов емкость снижается до 400-500 мА · ч / г.

Дальнейшее углубление теории зависит от получения различных высокочистых структурированных сырьевых материалов и углеродных материалов, а также от разработки более эффективных методов определения структурных характеристик. Fuji Corporation of Japan разработала новый тип материала отрицательного электрода на основе композитного оксида олова для литий-ионных батарей. Кроме того, существующие исследования в основном сосредоточены на некоторых оксидах металлов, и их качество значительно улучшено по сравнению с материалами углеродных отрицательных электродов. Такие как SnO2, WO2, MoO2, VO2, TiO2, LixFe2O3, Li4 Ti5O12, Li4 Mn5O12 и т.д. [24], но не такие зрелые, как углеродные электроды. Механизм обратимого высокого накопления лития в углеродных материалах в основном включает механизм образования молекулы лития Li2, механизм многослойного лития, механизм решетчатой матрицы, модель упругой глобально-упругой сети, механизм хранения лития с ламинарной боковой поверхностью, механизм хранения лития в нанометровом графите, углеродный механизм. литий-водородный механизм и микропоры Механизм хранения лития. Графит, как один из углеродных материалов, давно обнаружил, что он образует соединения с вкрапленными графитом (Graphite International Compounds) LiC6 с литием, но эти теории все еще находятся в стадии разработки. Трудность преодоления материалов отрицательного электрода также является проблемой циклического разрушения емкости, но из литературы известно, что получение высокочистых и хорошо структурированных микроструктурированных углеродных отрицательных материалов является направлением развития.

Общие методы подготовки материалов для отрицательных электродов можно резюмировать следующим образом.

1) Нагревание мягкого углерода при определенной высокой температуре для получения высокодисперсного углерода; Молекулярная формула ионного соединения графита лития - LiC6, в котором были изучены динамические изменения процесса внедрения и удаления иона лития в графите, взаимосвязь между структурой графита и электрохимическими свойствами, причина необратимой потери емкости и метод улучшения. многими исследователями. 2) Структура твердого углерода, полученного в результате разложения сшитых смол со специальной структурой при высоких температурах, имеет более высокую обратимую емкость, чем графитовый углерод, и на ее структуру сильно влияет сырье. Однако обычно считается, что нанопоры в этих углеродных структурах имеют большее влияние на содержание литиевых вставок. Исследования в основном сосредоточены на использовании полимера со специальной молекулярной структурой для получения твердого углерода, содержащего более нанометровые микропоры [25] [26] [27].

3) Углеводород, полученный высокотемпературным термическим разложением органических веществ и полимеров [28] [29]. Этот тип материала имеет обратимую емкость от 600 до 900 мА · ч / г и поэтому вызывает беспокойство, но его запаздывание по напряжению и пониженная циклическая емкость являются самыми большими препятствиями для его применения. Улучшение метода подготовки и объяснение теоретического механизма будут в центре внимания исследования.

4) Механизм действия различных оксидов металлов аналогичен катодным материалам [24],

Исследователями также было замечено, что основным направлением исследований является получение оксидов металлов новой структуры или композитных структур.

5) В качестве материала с литием углеродные нанотрубки и bucky-ball C60 также являются новой горячей точкой в текущих исследованиях и становятся отраслью исследований наноматериалов. Специальная структура углеродных нанотрубок и круглого шарика C60 делает его лучшим выбором для материалов с высокой емкостью интеркаляции лития [22] [23] [30]. Теоретически наноструктуры могут обеспечивать более высокую способность вставки лития, чем доступные в настоящее время материалы, и их микроструктура была тщательно изучена и достигла большого прогресса, но как подготовить соответствующие методы наложения для получения превосходных характеристик. Электродные материалы, это должно быть важным направлением исследований [31] [32] [33].

3, Заключение

Подводя итог, можно сказать, что исследования и разработка активного материала отрицательного электрода литий-ионной батареи были очень активными в мире и достигли большого прогресса. Кристаллическая структура материала регулярная, и необратимое изменение структуры во время зарядки и разрядки является ключом к получению литий-ионных аккумуляторов с большой емкостью и длительным сроком службы. Однако структура и свойства материалов, содержащих литий, по-прежнему являются самым слабым звеном в этой области. Литий-ионные аккумуляторы - это тип аккумуляторной системы, который постоянно обновляется. Многие новые результаты исследований в области физики и химии будут иметь большое влияние на литий-ионные батареи, такие как нанотвердые электроды, которые могут повысить плотность энергии и удельную мощность литий-ионных аккумуляторов., Это значительно расширит область применения литий-ионные аккумуляторы. Короче говоря, изучение литий-ионных батарей - это сквозная область, охватывающая многие дисциплины, такие как химия, физика, материалы, энергия и электроника. Прогресс в этой области вызвал значительный интерес со стороны химической энергетики и промышленности. Можно ожидать, что с углублением изучения взаимосвязи между структурой и характеристиками электродных материалов, различные нормализующие структуры или положительные и отрицательные материалы с легированными композитными структурами, разработанными на молекулярном уровне, будут активно способствовать исследованиям и применению ионов лития. батареи. Литий-ионные батареи будут вторым типом батарей с лучшими рыночными перспективами и самыми быстрыми темпами развития в долгосрочной перспективе после никель-кадмиевых и никель-металлогидридных батарей.

Существуют разные методы классификации батарей. Методы классификации можно условно разделить на три категории.

Тип I: разделенный по типу электролита, в том числе: щелочные батареи, электролиты - это в основном батареи на основе водных растворов гидроксида калия, такие как щелочные марганцевые батареи цинка (обычно известные как щелочно-марганцевые батареи или щелочные батареи), никелевые кадмиевые батареи, водородно-никелевые батареи. , так далее.; Кислотные батареи, в основном водная серная кислота в качестве среды, такие как свинцово-кислотные батареи; Нейтральные батареи, использующие солевой раствор в качестве среды, такие как сухие цинково-марганцевые батареи (некоторые потребители также называют кислотные батареи), батареи, активируемые морской водой и т. Д .; Батареи с органическим электролитом, в основном батареи с органическим раствором в качестве среды, такие как литиевые батареи, литий-ионные батареи.

Второй тип: по характеру работы и способам хранения он включает: первичные батареи, также известные как первичные батареи, батареи IE, которые не подлежат перезарядке, такие как сухие цинк-марганцевые батареи, литиевые первичные батареи и т.д .; Вторичные батареи, аккумуляторные батареи, такие как водородно-никелевые батареи, литий-ионные батареи, кадмиево-никелевые батареи и т.д .; Батареи обычно называют свинцово-кислотными батареями, а также вторичными батареями; Топливные элементы, то есть активные материалы, непрерывно добавляемые извне в батарею, когда батарея работает, например, водородные и кислородные топливные элементы; Аккумуляторные батареи, то есть батареи не подвергаются прямому воздействию электролитов при хранении, и электролиты не добавляются до тех пор, пока батарея не используется, например, батареи хлорида магния и серебра, также известные как батареи, активируемые морской водой.

Третья категория: в соответствии с положительными и положительными материалами, используемыми в батарее, она включает: батареи цинкового ряда, такие как цинково-марганцевые батареи, цинково-серебряные батареи и т. Д .; Никелевые батареи, такие как кадмиево-никелевые батареи, водородно-никелевые батареи и т.д .; Свинцовые батареи, такие как свинцово-кислотные батареи; Литиевые батареи, литиево-магниевые батареи; Батареи серии диоксида марганца, такие как цинк-марганцевые батареи, щелочно-марганцевые батареи и т.д .; Батареи серии воздух (кислород), такие как пустые цинковые батареи и т. Д.

Страница содержит содержимое машинного перевода.