Внедрение анодного и катодного материала литий-ионной батареи.

Термин «фосфат лития-железа», трехкомпонентный литиевый аккумулятор и т. Д. Назван по материалу анода литий-ионного аккумулятора. Условно говоря, влияние материалов анода и катода играет важную роль в характеристиках батареи. Какие обычно используются анодные и катодные материалы на рынке в последнее время? В чем их преимущества и недостатки перед литий-ионным аккумулятором?

Материал анода

Во-первых, подумайте о следующих факторах материалов анода:

Имеют более высокий потенциал окислительно-восстановительной реакции, чтобы помочь литий-ионной батарее достичь более высокого выходного напряжения литий-ионной батареи.

Высокое содержание литий-ионных аккумуляторов, высокая плотность упаковки материала, благодаря чему литий-ионный аккумулятор имеет более высокую плотность энергии.

Обладают хорошей структурной стабильностью во время химической реакции, чтобы литий-ионный аккумулятор имел более длительный срок службы.

Обладают высокой проводимостью, чтобы помочь литий-ионному аккумулятору иметь хорошую скорость зарядки и разрядки.

Обладают хорошей химической стабильностью и термической стабильностью, нелегко разлагаются и нагреваются, чтобы литий-ионный аккумулятор имел хорошие характеристики безопасности.

Имеют более низкую цену, чтобы снизить стоимость ионно-литиевой батареи.

Имеют относительно простую обработку, чтобы вести серийное производство.

Быть экологически чистым и легко перерабатываемым.

Некоторые ключевые показатели, включая плотность энергии, скорость зарядки и разрядки, характеристики безопасности и т. Д., В основном ограничиваются материалами анода.

Исходя из этих факторов, анодные материалы, недавно появившиеся на рынке, после инженерных исследований и проверки рынка выглядят следующим образом:

Оксид лития-кобальта - самый ранний продукт для коммерциализации. Литий-ионный аккумулятор первого поколения - это литий-кобальтооксидный аккумулятор, выпущенный SONY в 1990 году. Позже он широко использовался в потребительских товарах. В связи с массовым распространением мобильных телефонов, ноутбуков и планшетных ПК оксид лития-кобальта стал популярным материалом в объеме продаж анодного материала литий-ионных аккумуляторов. Однако его недостатком является низкое соотношение качества к объему (не равное плотности энергии). Теоретическое ограничение составляет 274 мАч / г. Учитывая стабильность структуры анода, она может достигать только 50% от теоретического ограничения (137 мАч / г). Кроме того, на Земле не так много кобальта, поэтому оксид лития-кобальта не может широко использоваться в области аккумуляторных батарей из-за высокой стоимости и постепенно заменяется другими материалами.

Имея недостатки в отношении стабильности, безопасности и синтеза материалов, никелат лития имеет меньшее коммерческое применение. Этот материал вряд ли можно найти на рынке.

Коммерциализация литиевого манганита в основном осуществляется в области аккумуляторных батарей, одной из важных ветвей литий-ионных аккумуляторов. Например, в электронном автомобиле Japan Leaf применена литий-марганцевая батарея Japan AESC. Еще раньше Volt также использовала литиево-марганцевую батарею корейской LG. Большими преимуществами манганита лития являются низкая стоимость и хорошие низкотемпературные характеристики, а недостатками - низкая удельная емкость (ограниченное значение 148 мАч / г), плохие высокотемпературные характеристики, малый срок службы. Таким образом, манганит лития имеет очевидные узкие места в своем развитии. В последнее время одним из направлений исследований является модификация манганита лития путем легирования других элементов для устранения его недостатков.

Литий-фосфат железа был популярен в Китае некоторое время. С одной стороны, он пользуется технологической поддержкой американских научно-исследовательских институтов и предприятий. С другой стороны, под влиянием индустриализации BYD в Китае, в последние годы материалом отечественных предприятий литиево-ионных аккумуляторов в основном является фосфат лития-железа. Однако требования к плотности энергии литий-ионных аккумуляторов во всем мире становятся все более строгими. Теоретическая удельная емкость фосфата лития-железа составляет 170 мАч / г, а фактическое значение составляет около 120 мАч / г, что ограничивает его применение. Кроме того, он не обладает привлекательными скоростными характеристиками или низкотемпературными характеристиками. Недавно BYD выпустила модифицированный литий-железо-фосфатный материал и, по-видимому, повысила плотность энергии. Никто не знает, что они добавили в материалы без раскрытия техники. Что касается производственных областей применения, рынок аккумуляторов энергии может быть важным рынком литий-железо-фосфатных батарей. Напротив, этот рынок чувствителен не к плотности энергии, а к длительному сроку службы, низкой стоимости и высоким показателям безопасности, которые являются именно преимуществами материалов из фосфата лития и железа.

Японские и южнокорейские коллеги активно продвигают применение тройных материалов в последние годы. Поскольку NCM постепенно становится основным направлением рынка, отечественные предприятия также следуют этой тенденции и постепенно заменяют материал NCM. Удельная емкость тройных материалов высока, поэтому продукты на недавнем рынке уже имеют мощность до 170 ~ 180 мАч / г, а затем повышают плотность энергии одиночной ячейки почти до 200 Втч / кг, чтобы удовлетворить требованиям длительного пробега. электромобиля. Кроме того, изменение состава тройных материалов (значения X, Y) может обеспечить хорошую производительность для удовлетворения требований к литий-ионной батарее высокой емкости, но небольшой емкости для PHEV и HEV. Это причина того, почему тройные материалы так популярны. Из химической формулы видно, что NCM объединил преимущества оксидов лития-кобальта (LiCoO2) и манганита лития (LiMn2O4), и он может повысить плотность энергии и производительность с помощью элемента Ni.

NCA - это модифицированные материалы из никелата лития, содержащие определенный процент кобальта и алюминия (небольшой процент). Это японская компания Panasonic, которая занимается коммерческим применением, другие производители аккумуляторов практически не исследуют этот материал. Причина для сравнения заключается в том, что популярная Tesla применила тройную батарею 18650 NCA от Panasonic в системе аккумуляторных батарей электромобилей, и она достигла долговечности почти 500 км, что доказывает, что этот анодный материал имеет определенную ценность.

Все это - обычные анодные материалы литий-ионных аккумуляторов, но не все направления техники. Фактически, не только университетские и научно-исследовательские институты, но и предприятия прилагают все усилия для исследования нового типа литий-ионной батареи из анодного материала, чтобы поднять ключевой показатель плотности энергии, срока службы и т. Д. До более высокого уровня. В настоящее время промышленно применяемые анодные материалы не могут достичь 250 Втч / кг или даже 300 Втч / кг по плотности энергии в 2020 году, поэтому анодные материалы должны иметь технологические инновации, такие как изменение стратифицированной структуры до структуры шпинели материалов твердых растворов и Материалы на основе органических соединений также являются одним из популярных направлений исследований.

Катодные материалы

Для сравнения, исследования катодного материала литий-ионной батареи меньше, чем материал анода, но катодный материал играет существенную роль в улучшении характеристик батареи. При выборе материала катода литий-ионного аккумулятора необходимо учитывать следующие факторы:

Она должна быть стратифицированной или туннельной, что способствует извлечению иона лития.

Он не претерпевает изменений в структуре во время высвобождения иона лития, обладает отличной обратимостью заряда и разряда и сроком службы.

Литий-ионный ион пытается внедрить и освободить как можно больше, чтобы обеспечить более высокую обратимую емкость электрода.

Имеют низкий электрический потенциал в окислительно-восстановительной реакции, согласованный с материалом анода, чтобы иметь более высокое выходное напряжение.

Малая удельная мощность необратимого разряда в первый раз

Имеют хорошую консистенцию с электролитическим растворителем.

Будь богат ресурсами и имей невысокую цену

Хорошие показатели безопасности

Экологически чистый

Существуют различные виды катодных материалов литий-ионных аккумуляторов. По химическому составу их можно разделить на металлические катодные материалы (включая сплавы), неорганические неметаллические катодные материалы и металлооксидные катодные материалы.

Металлические катодные материалы: эти материалы обладают прекрасной способностью вводить литий. Самым ранним катодным материалом, который исследовали, является литий. Из-за проблем с безопасностью и плохих циклических характеристик батареи литий не нашел широкого применения в качестве катодного материала. В последние годы люди склонны исследовать катодные материалы из сплавов, таких как сплав на основе олова, сплав на основе алюминия, сплав на основе магния, сплав на основе Sb и т. Д., Что является новым направлением исследований.

Неорганический неметаллический катодный материал: в основном это углеродный материал, кремний и другие неметаллические композиты.

Материал оксида переходного металла: он имеет преимущества стабильной структуры, длительного срока службы и т. Д. Эти материалы включают оксид лития (титанат лития), композитный оксид на основе олова и т. Д.

На современном рынке катодные материалы отдают предпочтение углеродным материалам, включая графит и неграфитовые углеродные материалы. В области производства автомобилей и электроинструментов титанат лития применяется в качестве катодного материала из-за его прекрасного срока службы, безопасности и производительности, но он снижает плотность энергии, что не позволяет ему стать основным направлением на рынке. За исключением сплава олова, продукция которого произведена SONY, другие катодные материалы в основном все еще находятся на стадии исследований и разработок, но редко используются для сбыта продукции.

Что касается тенденции развития, материал на основе диоксида кремния может заменить углеродный материал и стать следующим основным катодным материалом литий-ионной батареи, если проблема цикла будет полностью решена. Катодные материалы анода, включая сплав олова, сплав кремния и т. Д., Являются еще одной популярной тенденцией и будут подходить к продукту и рынку. Кроме того, оксид железа с высокими показателями безопасности и плотностью энергии может заменить титанат лития (LTO) и широко используется в области, где требуется долгий срок службы и безопасность.

Вот более подробная информация о двух ключевых показателях, связанных с литий-ионным аккумулятором и энергией: плотность энергии и скорость зарядки и разрядки.

Плотность энергии - это то, что емкость хранилища в единице объема или веса. Чем выше, тем лучше. Скорость зарядки и разрядки - это скорость накопления и высвобождения энергии. Лучше скорость в секунду, зарядка и разрядка в мгновение ока.

На самом деле, мы не можем иметь бесконечную энергию или реализовать сдвиг энергии в мгновение ока. Вот почему нам нужно делать процесс непрерывным.