Представляет несколько видов литий-ионных аккумуляторов с передовыми технологиями.

1, все твердотельные литий-ионные батареи

В настоящее время коммерческие электролиты литий-ионных аккумуляторов являются жидкими и поэтому также называются жидкими ионно-литиевыми аккумуляторами. Проще говоря, полностью твердотельная литий-ионная батарея означает, что все компоненты в структуре батареи находятся в твердой форме, заменяя жидкий электролит и диафрагму обычной литий-ионной батареи на твердый электролит.

По сравнению с жидкими ионно-литиевыми батареями, все твердотельные электролиты обладают следующими преимуществами: высокая безопасность / отличная термическая стабильность, длительная работа в условиях 60-120 ℃ ; Широкое электрохимическое окно, может достигать более 5 В, может соответствовать высоковольтные материалы; Проводящие не только электроны проводимости иона лития; Система охлаждения простая, высокая удельная энергия; Может использоваться в области тонких гибких батарей. Но недостатки очевидны: единица площади ионной проводимости мала, мощность хуже нормальной температуры; Стоимость очень дорогая; Промышленное производство аккумуляторов большой емкости.

Характеристики материала электролита в значительной степени определяют плотность мощности всех твердотельных литий-ионных аккумуляторов, стабильность цикла, характеристики безопасности, характеристики при высоких и низких температурах и срок службы. Твердый электролит можно разделить на класс полимерных электролитов (обычно представляет собой смесь ПЭО и литиевой соли основного материала электролита LITFSI) и неорганические электролиты, такие как оксид и сульфид), два больших типа. Все технологии твердотельных аккумуляторов общепризнанно, что следующее поколение аккумуляторных технологий сосредоточено на развитии инноваций, считают, что в ближайшем будущем технологии становятся все более зрелыми, эти проблемы могут быть решены.

2, тройные батареи с высокой плотностью энергии

По мере того, как люди стремятся к плотности энергии батареи, материал тройного катода все больше и больше привлекает внимание людей. Материал тройного катода с высокой удельной емкостью и хорошими характеристиками цикла, преимуществами низкой стоимости, как правило, относится к слоистой структуре никель-кобальт-марганцево-литиевых материалов. За счет повышения напряжения батареи и содержания никелевых элементов в материале можно эффективно улучшить плотность энергии тройного катодного материала.

Теоретически тройной материал сам по себе имеет преимущество высокого напряжения: стандартное испытательное напряжение тройного катодного материала составляет 4,35 В, и обычный тройной материал может демонстрировать хорошие циклические характеристики при этом напряжении; Напряжение увеличивается до 4,5 В, симметричные материалы (333 и 442) могут иметь емкость 190, цикл также хороший, 532 - менее циклический; при зарядке до 4,6В циклизация тройного материала начинает уменьшаться, метеоризм. Явление усугубляется. В настоящее время фактором, ограничивающим практическое использование материалов высоковольтных тройных катодов, является то, что трудно найти подходящий высоковольтный электролит.

Другой способ увеличить удельную энергию тройных материалов - увеличить содержание никеля в материале. Обычно тройной катодный материал с высоким содержанием никеля означает, что молярная доля никеля в материале больше 0,6, и такой тройной материал имеет высокое соотношение. Емкость и низкая стоимость, но степень сохранения емкости низкая, а термическая стабильность оставляет желать лучшего. Характеристики этого материала можно эффективно улучшить, улучшив процесс приготовления. Микро-наноразмеры и морфология имеют большое влияние на характеристики материалов тройных катодов с высоким содержанием никеля. Таким образом, большинство используемых в настоящее время методов получения сосредоточено на однородной дисперсии и получении сферических частиц с малым размером и большой удельной поверхностью.

Среди многих методов получения комбинация метода соосаждения и метода высокотемпературной твердой фазы является основным методом. Во-первых, метод соосаждения используется для получения прекурсора с однородным сырьем и однородным размером частиц, а затем подвергается высокотемпературному прокаливанию для получения тройного материала с регулярной морфологией поверхности и легким контролем процесса, который является основным методом, используемым в промышленное производство. Метод распылительной сушки проще, чем метод соосаждения, а скорость приготовления выше. Полученный материал по морфологии не уступает методу соосаждения и имеет потенциал для дальнейших исследований. Недостатки материала тройного катода с высоким содержанием никеля во время смешивания катионов и фазового перехода во время заряда и разряда могут быть эффективно устранены путем модификации легированием и модификации покрытия. Повышение проводимости, производительности цикла, производительности, производительности хранения, а также производительности при высоких температурах и высоких давлениях при подавлении возникновения побочных реакций и стабилизации структур останется горячей темой исследований.

3, большой объем кремниевого углерода отрицательный

Являясь важной частью анодных материалов литий-ионных аккумуляторов, напрямую влияет на удельную энергию аккумулятора, срок службы и безопасность, а также на другие ключевые показатели. Кремнию является известный (4200 мАч / г) материал катода литий-ионного аккумулятора, но из-за его объемного эффекта более 300% материалы кремниевых электродов в процессе зарядки и разрядки будут измельчаться и отслаиваться от скоплений жидкость, активизирующие вещества и активные вещества, потеря электрического контакта между активными материалами, в то же время постоянное образование нового слоя твердого электролита SEI, в конечном итоге приводят к ухудшению электрохимических свойств. Чтобы решить эту проблему, исследователи провели большое количество исследований и попыток сделать этот кремний-углеродный композитный материал очень перспективным.

В качестве материала отрицательного электрода для литий-ионных батарей углеродные материалы имеют небольшое изменение объема во время заряда и разряда, хорошую стабильность цикла и отличную электропроводность, поэтому они часто используются для рекомбинации с кремнием. В углеродно-кремниевом композитном анодном материале, в зависимости от типа углеродного материала, его можно разделить на две категории: кремний и традиционные углеродные материалы и кремний и новые углеродные материалы, среди которых традиционные углеродные материалы в основном включают графит, мезофазные микросферы, угольно черный. И аморфный углерод; Новые углеродные материалы в основном включают углеродные нанотрубки, углеродные нанопроволоки, углеродные гели и графен. Кремний-углеродный композит используется для использования пористого действия углеродного материала, чтобы сдерживать и сдерживать объемное расширение активного центра кремния, предотвращать агломерацию частиц, предотвращать проникновение электролита в центр и поддерживать стабильность интерфейса и пленки SEI.

Многие мировые компании уже посвятили себя этому виду новых анодных материалов, например, Шэньчжэнь Терри и Цзянси Цзичен первыми разработали множество кремниево-углеродных анодных материалов, Шанхай Шаньшань занимается производством кремниевых углеродных материалов для отрицательных электродов в процессе индустриализации, графит звездного города имеет кремний углеродные анодные материалы для будущего направления развития новых продуктов.

4, литиевые материалы высокой емкости высокого напряжения

На основе богатого литием марганца (xLi [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 - x) LiMO2, M - переходный металл 0 ≤ x ≤ 1, структура аналогична LiCoO2) имеет высокую удельную разрядную емкость и Используемый в настоящее время Фактическая емкость материала положительного электрода примерно в 2 раза выше, и поэтому она широко изучалась для материалов литиевых батарей. Кроме того, поскольку материал содержит большое количество элемента MN, он более экологически безопасен и дешевле, чем LiCoO2 и тройной материал LI [Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3] O2. Следовательно, Xli [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 – x) Материал LiMO2 рассматривается многими учеными как идеальный материал для следующего поколения катодных материалов литий-ионных аккумуляторов.

В настоящее время, в основном с использованием метода соосаждения, подготовки богатого литий-марганцевого основного материала, есть также некоторые исследователи, использующие золь-гель метод, твердофазный метод, метод сжигания и гидротермальный метод и процесс приготовления, но характеристики материала, чем устойчивое соосаждение метод. Хотя материал имеет высокую удельную емкость, но его применение все еще имеет несколько проблем: в первый раз цикл необратимой емкости до 40 ~ 100 мАч / г; Низкий коэффициент производительности, емкость 1 c менее 200 мАч / г; Высокое напряжение зарядки вызывает разложение электролита, что делает производительность цикла не идеальной, а использование проблем с безопасностью. Используя покрытие из оксида металла и другие материалы положительного электрода для композита, обработки поверхности, создания специальной структуры верхнего предела низкого напряжения, процесса заряда и разряда, таких мер, как богатый литий-марганцевый базовый материал для вышеуказанной проблемы, можно получить хорошее решение.

В 2013 году материалы Ningbo разработали новую модификацию границы раздела газ-твердое тело, и позволили частицам материала анода, богатого литий-марганцем, образовывать однородную кислородную вакансию, что значительно улучшило начальную эффективность заряда-разряда, удельную емкость разряда материалов и стабильность цикла. сильно подтолкнул анодный материал, богатый литием-марганцем, в практическом процессе.

5, электролит высокого напряжения толерантности

Хотя высокое напряжение с большим вниманием к материалам литиевых батарей, но в реальном производстве, материал анода высокого напряжения по-прежнему не может достичь хорошего эффекта. Самым большим ограничением является низкое окно электрохимической стабильности карбонатного электролита, когда напряжение аккумулятора составляет 4,5 (VS.LI/Li +), электролит начинает сильно окисляться, при котором литиевая батарея вызывает ненормальные реакции. Толерантность системы электролиза высокого напряжения стала для продвижения этого нового материала важным звеном в практическом применении.

Повышение стабильности границы раздела электрод / электролит за счет разработки и применения новых систем электролитов высокого давления или пленкообразующих добавок высокого давления является эффективным способом разработки высоковольтных электролитов, которые часто являются экономически выгодными. Такие добавки, которые увеличивают способность электролита выдерживать напряжение, обычно включают борсодержащие, фосфорорганические, карбонатные, серосодержащие, ионные жидкости и другие типы добавок. Борсодержащие добавки включают трис (триметилалкан) борат, бис (оксалат) борат лития, борат дифтороксалата лития, тетраметилборат, триметилборат и триметилциклотриборан. Фосфорорганические добавки включают фосфиты и фосфаты. Добавки на основе карбонатов включают фторсодержащие меркаптосоединения. Серосодержащие добавки включают 1,3-пропансултон, диметоилметан, трифторметилфенилсульфид и тому подобное. Ионные жидкие добавки включают имидазол и соли четвертичного фосфония.

Согласно уже опубликованным в стране и за рубежом исследованиям, введение добавки высокого давления может обеспечить толерантность к электролиту 4,4 ~ 4,5 В, однако, когда напряжение зарядки достигает 4, необходимо довести до более 8 В или 5 В более высокое сопротивление электролита напряжению.

6, устойчивость к высокой температуре диафрагмы

Диафрагма литиевой батареи в литиево-ионной батарее в основном проводит ион лития, а изоляция - это роль электрического контакта между катодами, является одним из важных компонентов, поддерживающих завершенный электрохимический процесс заряда-разряда батареи. В процессе литиевой батареи, когда батарея перезаряжается или при более высоких температурах, диафрагма должна иметь достаточную термическую стабильность (температура термической деформации> 200 ℃ ), чтобы эффективно изолировать контакт положительного и отрицательного электрода батареи, предотвращать короткое замыкание, например тепловые разгоны и даже взрывы. В настоящее время широко используемая полиолефиновая диафрагма, ее точка плавления и низкая температура размягчения (<165 ℃ ), трудно эффективно гарантировать безопасность батареи, а низкая пористость и низкая поверхностная энергия ограничивают коэффициент полезного действия батареи. Поэтому очень важно активно развивать высокую стойкость к высокотемпературной диафрагме.

Лаборатория разработки литиевых аккумуляторов Ningbo Materials и Даляньский институт химико-физических исследований технологии накопления энергии с использованием технологии мокрого формования разработали новый тип высокотемпературной пористой мембраны, изготовление пористой мембраны с низкой стоимостью, легко поддающейся количественной оценке. производство. Предварительные результаты исследования показывают, что температура термической деформации диафрагмы намного превышает 200 ℃ , а термостабильность коммерциализации нетканой диафрагмы может эффективно гарантировать безопасность батареи. В то же время этот вид пористой мембраны с высокой пористостью и высокой кривизной пористой структуры, чтобы обеспечить емкость аккумулятора, в то же время эффективно предотвращать микрокороткое замыкание и явление саморазряда аккумулятора. Кроме того, материалы Ningbo также разработаны с ультратонким ионообменным функциональным слоем термостойкой композитной диафрагмы на основе трехмерной термостойкой каркасной гелевой композитной мембраны и керамической мембраны.

В дополнение к материалам Ningbo Materials в 2015 году смола Mitsubishi покрыла сепаратор термостойким неорганическим наполнителем, так что сепаратор может поддерживать соответствующее значение сопротивления при 220 ° C, блокируя прохождение тока.

7, литий-серные батареи

Литий-серная батарея - это литиевая батарея, в которой серный элемент используется в качестве положительного электрода батареи, а металлический литий используется в качестве отрицательного электрода. Самое большое отличие от обычной литий-ионной батареи заключается в том, что механизм реакции литий-серной батареи представляет собой электрохимическую реакцию, а не деинтеркаляцию ионов лития. Принцип работы литий-серных батарей основан на сложных электрохимических реакциях. До сих пор не удалось охарактеризовать промежуточные продукты, образующиеся при зарядке и разрядке серных электродов. Обычно считается, что реакция отрицательного электрода во время разряда заключается в том, что литий теряет электроны, превращаясь в ионы лития, а положительный электрод реагирует с серой, вступая в реакцию с ионами лития и электронами с образованием сульфидов. Разность потенциалов между положительным электродом и отрицательным электродом - это напряжение разряда, обеспечиваемое литий-серной батареей. Под действием приложенного напряжения положительный и отрицательный электроды литий-серной батареи реагируют в обратном порядке, что и является процессом зарядки.

Самым большим преимуществом литий-серных аккумуляторов является их теоретическая удельная емкость (1672 мАч / г) и удельная энергия (2600 Втч / кг), что намного выше, чем у других типов литий-ионных аккумуляторов, широко используемых на рынке, и из-за большого количества серы. резервы. Этот аккумулятор недорогой и экологически чистый. Однако литий-серные батареи также имеют некоторые недостатки: электронная проводимость и ионная проводимость элементарной серы плохие; промежуточные продукты разряда литий-серных батарей растворяются в органическом электролите, и ионы полисульфида могут мигрировать между положительным и отрицательным электродами, что приводит к активности. Материальный ущерб; металлический литиевый анод будет претерпевать изменение объема во время заряда и разряда, и дендриты легко образуются; Серный положительный электрод имеет до 79% объемного расширения / сжатия во время заряда и разряда.

Основные методы решения этих проблем, как правило, из двух аспектов: электролит и анодный материал, электролит, в основном использование простых эфиров в качестве электролита батареи электролита, электролита, добавление некоторых добавок, могут быть очень эффективными для устранения проблем растворения соединений серы лития. Материал анода, в основном состоящий из серы и углеродного композитного материала или серы и органического соединения, может решить проблему непроводимости и объемного расширения серы.

Литий-серная батарея все еще находится на стадии лабораторных исследований и разработок, лидируют Китайская академия наук, Политехнический институт Наньян, Стэнфорд, Японский научно-исследовательский институт промышленных технологий и Университет Цукуба, а SionPower работает в области ноутбуков и беспилотных летательных аппаратов. (БПЛА) провел значительные приложения.

8, воздушно-литиевые батареи

Литий-воздушная батарея - это новый тип литий-ионной батареи большой емкости, разработанный совместно Японским научно-исследовательским институтом промышленных технологий и внешней академической организацией в Японии (JSPS). Батареи с металлическим литием в качестве анода, кислородом воздуха в качестве анода, между двумя электродами, разделенными твердым электролитом; Катод использует органический электролит, анод - водный электролит.

Во время разряда анод растворяется в органическом электролите в виде иона лития, а затем через твердый электролит водный электролит мигрирует к аноду; Электронный через проводной переход к аноду, кислород в воздухе и воде на ультрамикронизированной модели. Образовавшийся после реакции гидроксила поверхности углерода в водном электролите анода в сочетании с ионами лития образуется водорастворимый гидроксид лития. Электронный провод с передачей на катод, когда заряд от анодного водного электролита через твердотельный литий-ионный электролит достигает поверхности анода, поверхность катода реагирует с образованием металлического лития. Положительные гидроксилы теряют кислород, генерируемый электронами.

Литий-воздушные батареи путем замены анода и катодного электролита литиевым может без заряда, разрядная емкость до 50000 мАч / г, высокая плотность энергии, теоретически 30 кг металлического лития и 40 л газа выделяют энергию того же самого; Продукт гидроксида лития легко перерабатывается, экологически чистый. Но его недостатками являются стабильность цикла, эффективность преобразования и коэффициент полезного действия.

В 2015 году в Кембриджском университете Грей разработал литиевый воздух с высокой плотностью энергии. Количество зарядок было «более 2000 раз», а эффективность использования энергии теоретически превышала 90%, что сделало практическое использование литий-воздушных батарей шагом вперед. Еще в 2009 году IBM запустила проект экологичного транспорта по разработке литий-воздушной батареи, подходящей для домашних электромобилей. Он надеется проехать около 500 миль без подзарядки. Недавно к этому проекту присоединились Asahi Kasei и Central Glass Corporation of Japan, исследования и разработки научно-исследовательских институтов и известных компаний в области воздушно-литиевых батарей будут значительно способствовать применению этой технологии батарей.

Страница содержит содержимое машинного перевода.