Сравнение преимуществ и недостатков железо-литиевой батареи и литий-полимерной батареи.

Рабочие характеристики литий-ионных батарей в основном зависят от структуры и характеристик внутренних материалов используемых батарей. Внутренние материалы этих батарей включают материалы отрицательных электродов, электролиты, диафрагмы и материалы положительных электродов. Среди них выбор и качество материалов положительных и отрицательных электродов напрямую определяют производительность и цену литий-ионных батарей. Поэтому исследования дешевых и высокопроизводительных положительных и отрицательных материалов всегда были в центре внимания развития индустрии литий-ионных аккумуляторов. В отрицательных материалах обычно используются углеродные материалы, и текущая разработка является относительно зрелой. Разработка положительных материалов стала важным фактором, ограничивающим дальнейшее улучшение характеристик и цены литий-ионных батарей. В современных коммерчески выпускаемых литий-ионных батареях стоимость катодного материала составляет около 40% от общей стоимости батареи. Удешевление катодного материала напрямую определяет удешевление литий-ионного аккумулятора. Это особенно актуально для литий-ионных силовых элементов. Например, небольшая литий-ионная батарея для мобильного телефона требует всего около 5 граммов положительного материала, в то время как литий-ионная аккумуляторная батарея для автобуса может потребовать до 500 килограммов положительного материала.

Измерение качества материалов положительного электрода литий-ионной батареи можно приблизительно оценить по следующим аспектам: (1) материалы положительного электрода должны иметь более высокий окислительно-восстановительный потенциал, чтобы батарея имела более высокое выходное напряжение; (2) ионы лития могут быть обратимо встроены и извлечены из большого количества катодных материалов, чтобы позволить батарее иметь высокую емкость; (3) В процессе внедрения / удаления литий-ионных аккумуляторов структура материала положительного электрода не должна изменяться или незначительно изменяться в максимально возможной степени, чтобы обеспечить хорошие циклические характеристики батареи; (4) изменение положительного окислительно-восстановительного потенциала в процессе встраивания / извлечения ионов лития должно быть как можно меньшим, чтобы напряжение батареи не изменялось значительно, чтобы гарантировать, что батарея заряжается и разряжается плавно; (5) Материал положительного электрода должен иметь высокую проводимость, чтобы аккумулятор мог заряжаться и разряжаться большими токами; (6) Положительный полюс не реагирует с электролитами и т.д .; (7) Ионы лития должны иметь большой коэффициент диффузии в материале электрода, чтобы облегчить быструю зарядку и разрядку аккумулятора; Цена дешевая и не загрязняет окружающую среду.

Материалы положительного электрода литий-ионной батареи обычно представляют собой оксиды лития. Больше исследований было проведено на оксидах LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, LiFePO4 и ванадия. Большой интерес вызвали и проводящие полимерные катодные материалы.

1, LiCoO2

LiCoO2 со слоистой структурой в основном используется в качестве положительного материала в существующих коммерческих литий-ионных аккумуляторах. Его теоретическая емкость составляет 274 мАч / г, а фактическая - около 140 мАч / г. Также сообщается, что фактическая емкость достигла 155 мАч / г. Основными преимуществами этого положительного материала являются: более высокое рабочее напряжение (среднее рабочее напряжение составляет 3,7 В), стабильное напряжение зарядки и разрядки, подходит для зарядки и разрядки большим током, более высокая энергия, чем, лучшая циркуляция, высокая проводимость, простой производственный процесс, легко приготовить и так далее. Основными недостатками являются: дороговизна, плохая устойчивость к перезарядке и необходимость дальнейшего улучшения циркуляционных характеристик.

2, LiNiO2

LiNiO2 для материалов положительных электродов литий-ионных аккумуляторов имеет слоистую структуру, аналогичную LiCoO2. Его теоретическая емкость составляет 274 мАч / г, а фактическая - от 190 до 210 мАч / г. Диапазон рабочего напряжения от 2,5 до 4,2 В. Основными преимуществами этого положительного материала являются: низкая скорость саморазряда, отсутствие загрязнений, хорошая совместимость с различными электролитами и более низкая цена, чем у LiCoO2. Однако у LiNiO2 есть фатальные недостатки: условия получения LiNiO2 очень жесткие, что создает значительные трудности для промышленного производства LiNiO2; Термическая стабильность LiNiO2 оставляет желать лучшего. По сравнению с материалами положительного электрода LiCoO2 и LiMn2O4 при одинаковых условиях, LiNiO2 имеет самую низкую температуру термического разложения (около 200 ° C) и самое высокое тепловыделение, что создает большие риски для безопасности батареи; LiNiO2 склонен к структурным изменениям в процессе зарядки и разрядки, что приводит к ухудшению циклических характеристик аккумулятора. Эти недостатки делают LiNiO2 важным положительным материалом для литий-ионных батарей.

3, LiMn2O4

LiMn2O4, используемый в материалах положительных электродов литий-ионных аккумуляторов, имеет структуру шпинели. Его теоретическая емкость составляет 148 мАч / г, а фактическая - от 90 до 120 мАч / г. Диапазон рабочего напряжения от 3 до 4 В. Основными преимуществами этого положительного материала являются: богатство марганцем, дешевизна, высокая безопасность и относительно простота приготовления. Недостаток в том, что теоретическая емкость невелика; Материал будет медленно растворяться в электролите, то есть его совместимость с электролитом плохая; В процессе глубокой зарядки и разрядки материал склонен к деформации решетки, что приводит к быстрому снижению емкости аккумулятора, особенно при использовании при более высоких температурах. Чтобы преодолеть вышеупомянутые недостатки, в последние годы была недавно разработана слоистая структура трехвалентного оксида марганца LiMnO2. Теоретическая емкость этого катодного материала составляет 286 мАч / г, а фактическая емкость составляет около 200 мАч / г. Диапазон рабочего напряжения составляет от 3 до 4,5 В. Хотя по сравнению со структурой шпинели LiMn2O4, LiMnO2 имеет большое увеличение теоретической емкости и фактической емкости, все еще существует проблема структурной нестабильности во время зарядки и разрядки. Во время процесса зарядки и разрядки кристаллическая структура многократно изменяется между слоистой структурой и структурой шпинели, вызывая многократное расширение и сокращение объема электрода, что приводит к ухудшению характеристик цикла батареи. Более того, LiMn O2 также имеет проблемы растворения при более высоких рабочих температурах. Решением этих проблем является использование легированного и модифицированного LiMnO2. Достигнут хороший прогресс.

4, LiFePO4

Этот материал имеет кристаллическую структуру оливина и является одним из самых популярных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, изученных в последние годы. Его теоретическая емкость составляет 170 мАч / г, а фактическая - 110 мАч / г без допинга. При поверхностной модификации LiFePO4 его фактическая емкость может достигать 165 мАч / г, что уже очень близко к теоретической емкости. Диапазон рабочего напряжения составляет около 3,4 В. По сравнению с описанными выше положительными материалами, LiFePO4 отличается высокой стабильностью, безопасностью *, экологичностью и недорого. Основными недостатками LiFePO4 являются низкая теоретическая емкость и низкая теплопроводность при комнатной температуре. По указанным выше причинам LiFePO4 имеет очень хорошие перспективы применения в больших литий-ионных батареях. Однако для демонстрации сильной рыночной конкурентоспособности во всей области литий-ионных аккумуляторов LiFePO4 сталкивается со следующими недостатками: (1) низкая стоимость конкуренции со стороны LiMn2O4, LiMnO2 и LiNiMO2 положительных материалов; (2) Люди могут отдавать предпочтение более подходящим конкретным материалам батарей в различных областях применения; (3) LiFePO4 имеет низкую емкость аккумулятора; (4) В сфере высоких технологий люди могут больше беспокоиться не о стоимости, а о производительности, например о применении мобильных телефонов и ноутбуков; (5) LiFePO4 срочно необходимо улучшить его проводимость при разряде на глубине 1С со скоростью, чтобы увеличить его удельную емкость. (6) Что касается безопасности, LiCoO2 соответствует стандартам безопасности, действующим в отрасли, и безопасность LiNiO2 также была значительно улучшена. Только LiFePO4 показывает более высокие показатели безопасности, особенно в электромобилях и других приложениях. Для обеспечения его полного конкурентного преимущества в области безопасности. В следующей таблице сравниваются свойства различных катодных материалов литий-ионных аккумуляторов.

Сравнение свойств батарей, изготовленных из нескольких материалов, выглядит следующим образом.

Компонент батареи литий-железо-фосфатная батарея литий-кобальтовая батарея литий-марганцевая батарея литий-кобальт-никелевая батарея

C-LiFePO 4LiCoO2LiMn2O4Li (NiCo) O2

Безопасность и защита окружающей среды требуют максимальной безопасности и наиболее экологичных требований очень плохая стабильность, очень небезопасно приемлемо стабильность очень плохая, очень небезопасная

Наилучшее допустимое количество циклов

Плотность энергии приемлемая, приемлемая, оптимальная.

Самая экономичная и приемлемая стоимость при длительном использовании.

Температурный допуск отличный (-40 ° C ~ 70 ° C все еще можно использовать в обычном режиме) выше 55 ° C или ниже -20 ° C, падение выше 50 ° C, а быстрое снижение выше, чем 55 ° C или ниже -20 ° C.

Хотя существует много типов материалов положительных электродов, которые теоретически можно использовать в качестве литий-ионных батарей, наиболее широко используемым материалом положительных электродов в коммерчески производимых литий-ионных батареях по-прежнему является LiCoO2. Хотя слоистая структура LiNiO2 имеет более высокую удельную емкость, чем LiCoO2, из-за структурных изменений и проблем безопасности, вызванных его реакцией термического разложения, существует значительное расстояние между прямым использованием LiNiO2 в качестве положительного материала. Однако замена более безопасного LiNi1-xCoxO2 на Co может стать важным направлением развития в будущем. Структура шпинели LiMn2O4 и слоистая структура LiMnO2 считаются одними из конкурентных положительных кандидатов на рынке из-за их богатых сырьевых ресурсов, очевидных ценовых преимуществ и высоких показателей безопасности. Но проблема структурной нестабильности в процессе зарядки и разрядки будет важной темой исследований в будущем. Фактическая разрядная емкость LiFePO4 со структурой оливина достигла примерно 95% от теоретической емкости, и он имеет преимущества низкой цены, высокой безопасности, стабильной структуры и отсутствия загрязнения окружающей среды. Он считается идеальным катодным материалом для больших литий-ионных аккумуляторов.

Связь PO в кристалле фосфата лития-железа стабильна и трудно разлагается. Даже при высоких температурах или перезарядке он не разрушается и не нагревается, как литий-кобальт, и не образует сильного окисляющего вещества, поэтому он имеет хорошую безопасность. В некоторых отчетах указывалось, что во время реальной операции было обнаружено, что небольшое количество образцов горело в экспериментах по акупунктуре или короткому замыканию, но взрыва не произошло. В эксперименте с избыточной зарядкой для зарядки использовалось высокое напряжение, которое в несколько раз превышало его собственное разрядное напряжение. Еще есть взрыв. Несмотря на это, его безопасность от перезаряда значительно улучшилась по сравнению с обычными жидкокалорийными электролитическими литий-кобальтовыми кислотными батареями.

Страница содержит содержимое машинного перевода.