Descripción general de las tendencias de desarrollo de la tecnología de materiales de baterías de litio

Gracias al desarrollo de vehículos de nueva energía, las baterías de energía se encuentran en el desarrollo de alta velocidad, y el desarrollo de vehículos de nueva energía también está planteando requisitos más altos para el rendimiento de las baterías de energía. El Plan de Acción para el Fomento del Desarrollo de la Industria de las Baterías de Energía Automotriz propone menciones: para 2020, la energía específica de la nueva celda de batería de energía de iones de litio superará los 300wh / Kg, y para 2025, la energía específica de la nueva batería de energía del sistema será alcanzar 500wh / Kg.

Bajo el doble impulso de la política y el mercado, la batería de energía debe desarrollarse hacia una alta densidad de energía, alto rendimiento de ciclo, alto rendimiento de seguridad, etc., lo que requiere que las instituciones de investigación y las empresas realicen mejoras en los materiales del cátodo, los materiales del ánodo y los electrolitos. La dirección de las baterías de estado sólido, los ánodos de silicio-carbono, los materiales ternarios con alto contenido de níquel y los ánodos de manganeso ricos en litio se considera la ruta tecnológica principal desarrollada por las empresas en los últimos años.

Electrodo positivo a base de manganeso rico en litio: material ideal con bajo contenido de metales preciosos

En 2025, el objetivo técnico de la celda única es lograr una eficiencia energética específica de 400Wh / kg. Es un hotspot de investigación para desarrollar y reemplazar el material de cátodo defectuoso existente con un nuevo tipo de material de cátodo que es más eficiente y ahorra energía. Entre los materiales de electrodo positivo conocidos, el material de electrodo positivo a base de manganeso rico en litio tiene una capacidad de descarga específica de 250 mAh / go más, que es casi el doble de la capacidad real del material de electrodo positivo comercializado actualmente; y el material es manganeso más barato. Principalmente, el contenido de metales preciosos es pequeño, en comparación con los materiales de cátodo ternario de óxido de cobalto de litio y níquel cobalto manganeso de uso común, no solo de bajo costo, sino también de buena seguridad. Por lo tanto, los materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio se consideran materiales ideales para las baterías de iones de litio de próxima generación.

¿Cuánto tiempo se tarda en alcanzar los 500wh / Kg? Descripción general de las tendencias de desarrollo de la tecnología de materiales de baterías de litio

Muchas empresas, incluidas Dangsheng Technology, Jiangte Electric y AVIC Lithium, están intensificando la investigación y el desarrollo de materiales catódicos a base de manganeso ricos en litio. El Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China ha mejorado la caída de voltaje del ciclo de electrodos positivos a base de manganeso rico en litio, alcanzando el objetivo de reducir la atenuación de voltaje a menos del 2% después de 100 semanas, y logró un progreso significativo. El equipo de la Universidad de Pekín desarrolló por primera vez un electrodo positivo a base de manganeso rico en litio con una capacidad específica de 400 mAh / g, que puede alcanzar el objetivo de 400 Wh / kg.

En la actualidad, la aplicación completa del electrodo positivo a base de manganeso rico en litio tiene los problemas técnicos de reducir la primera pérdida de capacidad irreversible, mejorar el rendimiento de la tasa y el ciclo de vida, y suprimir la caída de voltaje del proceso del ciclo.

Material ternario con alto contenido de níquel: 2018 es el primer año de desarrollo

Según la investigación del punto de partida, la producción de níquel-cobalto-manganeso de 2018 alcanzará los 47GWh, que será un 32% más alta que el año pasado, mientras que la producción de óxido de cobalto y litio será solo de 19GWh, solo un 5% más que el año pasado. Constreñidas por la escasez de cobalto y el aumento del precio del cobalto, las compañías de baterías promueven activamente el alto contenido de níquel de los materiales ternarios y reducen el costo del cobalto en la batería. El contenido de cobalto de NCM811 es solo del 6,06%.

Los materiales de níquel-cobalto-manganeso tienen alta densidad de energía, rendimiento electroquímico estable, alta capacidad y bajo costo, y reemplazarán gradualmente el fosfato de hierro y litio y las baterías ternarias ordinarias en el futuro. En la actualidad, Dangsheng Technology, Shanshan, Betray y otras empresas ya tienen las condiciones de producción en masa de NCM811, y se considera que 2018 es el primer año de desarrollo de material ternario con alto contenido de níquel.

Batería de estado sólido: el material sólido reemplaza el diafragma y el electrolito

Todas las baterías de estado sólido son reconocidas en la industria y los círculos académicos como una de las direcciones principales para el desarrollo de baterías en el siguiente paso.

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Por un lado, la tecnología de batería totalmente de estado sólido es la única forma de miniaturizar y adelgazar la batería. El volumen del diafragma y el electrolito suman casi el 40% del volumen de la batería. Si el diafragma y el electrolito se reemplazan por materiales sólidos, la distancia entre los electrodos positivo y negativo se puede acortar a unas pocas micras y el grosor de la batería se reduce considerablemente.

Por otro lado, en comparación con la batería de litio general, la densidad de energía de la batería totalmente sólida aumenta considerablemente, que puede alcanzar los 300-400Wh / kg, mientras que la batería de iones de litio es generalmente de 100-220Wh / kg. La alta seguridad es también uno de los factores impulsores importantes para el desarrollo de baterías totalmente de estado sólido. Desde el punto de vista de la seguridad, el electrolito de la batería de litio tradicional es un líquido orgánico, que se oxida y se descompone para generar gas a altas temperaturas, que es propenso a la combustión y aumenta considerablemente. Inseguro, si el electrolito se reemplaza por un material sólido, el rendimiento de seguridad de la batería mejora considerablemente.

En la actualidad, la batería de polímero de estado sólido desarrollada por el Instituto de Investigación de Energía de Qingdao de la Academia de Ciencias de China tiene una densidad de energía de 300Wh / kg. La batería de litio sólido inorgánico desarrollada por el Instituto de Materiales de Ningbo de la Academia de Ciencias de China tiene una densidad de energía de 240Wh / kg. Además, la agencia está cooperando con Yanfeng Lithium Industry. Su industrialización, planes de productos para la producción en masa en 2019. En la industria, las empresas líderes en baterías como Toyota, Panasonic, Samsung, Mitsubishi y Ningde Times han invertido en I + D y el despliegue de baterías de estado sólido.

Las baterías de estado sólido son sin duda una de las principales rutas tecnológicas del futuro. Sin embargo, todavía existen problemas como el alto costo, el proceso de preparación complicado y la madurez insuficiente. La tasa de rendimiento de la batería es baja en general, la resistencia interna es grande y la caída de voltaje es alta cuando se descarga a alta tasa. También deben resolverse problemas como la carga rápida y la irrealidad. Aún queda camino por recorrer para lograr una comercialización a gran escala.

Electrodo negativo de carbono de silicio: dos o tres años marcarán el comienzo de un brote

El material de carbono de silicio es actualmente el nuevo material de ánodo de alta densidad de energía más comercial. SPIR espera que la industria del material de silicio-carbono comience a enfrentar la etapa a gran escala de los materiales del ánodo de la batería de litio en la segunda mitad de 2018, y también lo estará en los próximos dos o tres años. Está destinado a marcar el comienzo de un brote importante y la industria tiene amplias perspectivas.

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La densidad de energía teórica ultra alta de los compuestos de silicio-carbono puede aumentar significativamente la capacidad específica del monómero y tiene las ventajas de un voltaje de litio de baja desintercalación y respeto al medio ambiente. Se considera el material de ánodo ideal para reemplazar el grafito en la próxima generación. Con el desarrollo de vehículos de nueva energía, la energía específica de las baterías de potencia exige constantemente requisitos más altos, y el grafito será reemplazado gradualmente por materiales de ánodo de carbono de silicio en el futuro.

A diciembre de 2017, las 8 principales empresas de materiales de ánodo en China básicamente están expandiendo su capacidad de producción de materiales de carbono de silicio, y muchos nuevos participantes en todas las industrias están involucrados en el diseño de materiales de ánodos de carbono de silicio. La nueva capacidad será en 2018-2019. BYD, Ningde Times, Guoxuan Hi-Tech, Betray, Shanshan, Lishen, BAK, Wanxiang, etc.han lanzado el diseño de materiales de ánodo de carbono de silicio.

Aunque los materiales de ánodo de silicio y carbono actuales todavía tienen problemas como el alto costo, la dificultad técnica y las industrias de soporte imperfectas, la perspectiva de realizar aplicaciones a gran escala sigue siendo prometedora.

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