Análisis del desarrollo actual de las baterías de iones de litio

1, ¿cuál es la línea de desarrollo de electricidad de litio más reconocida de la industria actual?

A través de los incansables esfuerzos del personal de investigación y desarrollo e ingenieros, desde baterías de plomo-ácido, baterías de hidruro metálico de níquel, baterías de níquel-cadmio, hasta baterías de fosfato de hierro y litio, y ahora las baterías convencionales de tres yuanes, cada vez que la promoción es un generación de esfuerzos. Basado en la mejora de la seguridad, la densidad de energía y el rendimiento de la relación de las baterías de iones de litio, y en combinación con el estado actual del desarrollo de la batería, se resume una ruta de desarrollo de las baterías de iones de litio en el futuro.

En 2020, es un electrodo de múltiples cationes, principalmente materiales de cátodos compuestos NCM y NCA, y el electrodo negativo es principalmente C y algunos complejos de carbono de silicio. La densidad de energía es de aproximadamente 300-350 WH / kg.

De 2020 a 2025, está dominado por baterías de iones de litio totalmente sólidas y polos negativos de metal de litio o polos negativos de carbono de silicio. La densidad de energía es de 400wh / kg, mientras que se desarrollan baterías de iones de sodio. El sodio es más barato que el litio, pero es más grande que los iones de litio y tiene memoria líquida.

Después de 2025, se utilizan principalmente baterías de litio-azufre- & GT; Baterías de metal de litio- & GT; & GT; Se desarrollan principalmente baterías de litio-aire. Tales baterías tienen una densidad de energía más alta y la conveniencia de los materiales es cada vez más conveniente. Sin embargo, actualmente hay más dificultades y es necesario seguir superando. Las baterías de litio-azufre utilizan azufre como electrodo positivo de la batería. Litio como batería de litio negativa. El azufre elemental es rico en reservas en la tierra y tiene las características de bajo precio y ambiente amigable. Las baterías de litio-azufre que utilizan azufre como material positivo tienen una teoría del material más alta que la capacidad y la teoría de la batería que la energía, alcanzando 1675 mAh / gy 2600 Wh / kg, respectivamente, que es mucho más alta que las baterías ternarias ampliamente utilizadas comercialmente.

Y el azufre es un elemento ecológico, básicamente no contamina el medio ambiente es una batería de litio muy prometedora; Las baterías de metal de litio, que reemplazan el grafito con una lámina de metal de litio, pueden contener más iones, pero generalmente, la lámina de metal de litio reacciona negativamente con los electrolitos, lo que hace que los electrolitos se sobrecalienten e incluso provoquen la combustión. Esta tecnología puede reducir las baterías de litio actuales. El tamaño se reduce a la mitad. En teoría, si el volumen de la batería no cambia, la autonomía de los vehículos eléctricos con baterías de metal de litio se duplicará; La batería de litio-aire es una batería que usa litio como ánodo y usa oxígeno en el aire como reactivo del cátodo. Las baterías de litio-aire tienen una densidad energética más alta que las baterías de iones de litio porque su cátodo (principalmente carbono poroso) es muy ligero y el oxígeno se obtiene del medio ambiente sin almacenarse en la batería. En teoría, el oxígeno no está limitado como reactivo del cátodo. La capacidad de la batería depende únicamente del electrodo de litio y su energía específica es de 5,21 kWh / kg (incluida la calidad del oxígeno) o de 11,4 kWh / kg (excluido el oxígeno).

2, ¿cuáles son los requisitos básicos de los vectores energéticos?

(1) La masa relativa de los átomos es pequeña;

(2) La capacidad de ganar y perder electrones es fuerte;

(3) La proporción de transferencias electrónicas debería ser alta.

3, ¿cuáles son los principales indicadores de las baterías?

(1) Capacidad;

(2) Densidad energética;

(3) relación de carga y descarga;

(4) Voltaje;

(5) Esperanza de vida;

(6) Resistencia interna;

(7) Autodescarga;

(8) Rango de temperatura de funcionamiento.

4, ¿Cuáles son las propiedades de los materiales positivos (LFP, NCM, LiCo, etc.)?

(1) Mayor potencial de reacción Redox, alto voltaje de salida;

(2) Alto contenido de litio y alta densidad energética;

(3) Estabilidad estructural en reacciones químicas;

(4) alta conductividad;

(5) Buena estabilidad química y estabilidad térmica, no es fácil de descomponer y reaccionar;

(6) Precios baratos;

(7) El proceso de producción es relativamente simple y adecuado para la producción a gran escala;

(8) Ecológico y de baja contaminación.

5, ¿cuáles son las características de los materiales negativos (Li, C, AL, titanato de litio, etc.)?

(1) Estructuras en capas o estructuras de túneles que facilitan el empotramiento;

(2) Estructura estable, buena reversibilidad de carga y descarga y rendimiento cíclico;

(3) se insertan y desembarca tantos iones de litio como sea posible;

(4) Potencial redox bajo;

(5) La primera capacidad de descarga irreversible es baja;

(6) Buena compatibilidad con disolventes de electrolitos;

(7) Precio bajo y fácil acceso a materiales;

(8) Buena seguridad;

(9) El medio ambiente es amigable.

6. ¿Cuáles son las formas de aumentar la densidad de energía de la batería?

(1) Aumentar la proporción de sustancias activas positivas y negativas;

(2) Incrementar la capacidad específica (en gramos) de materiales polares positivos y negativos;

(3) Pierda peso y adelgace.

7, ¿cómo mejorar la relación de carga y descarga de las baterías de iones de litio?

(1) Mejorar la capacidad de difusión de iones de litio de los polos positivo y negativo;

(2) Mejora de la conductividad iónica de electrolitos;

(3) La resistencia interna reducida de la batería (resistencia interna óhmica y resistencia interna de polarización).

8. ¿Qué factores influyen en el ciclo de vida de las baterías de iones de litio?

(1) Deposición de litio metálico negativo;

(2) Descomposición de materiales polares positivos;

(3) La formación y reutilización de SEI;

(4) La influencia de los electrolitos se manifiesta principalmente en: la cantidad total se reduce, las impurezas están presentes y el agua se infiltra;

(5) obstrucción o destrucción del diafragma;

(6) Los materiales positivos y negativos se caen;

(7) Factores de uso externo.

9, la temperatura de descomposición de la reacción del material interno de las baterías de iones de litio?

(1) Descomposición de la membrana SEI, reacción exotérmica del electrolito, 130 ° C;

(2) Descomposición de electrolitos, producción de calor, 130 ° C -250 ° C;

(3) La descomposición positiva del material produce una gran cantidad de gas y oxígeno, 180 ° C -500 ° C;

(4) La reacción de aglutinantes y sustancias activas polares negativas, 240 ° C -290 ° C.

Generalmente por sobrecarga, descarga de alta potencia, cortocircuito interno, cortocircuito externo, vibración, colisión, caída, impacto, etc., provocando un cortocircuito, proceso que produce una gran cantidad de calor y gas.

Algunos de los materiales de batería de litio más prometedores del futuro

(1) Material de electrodo negativo compuesto de silicio-carbono, alta densidad de energía, industrialización 400 WH / kg o más, pero expansión de volumen grave, mala circulación;

(2) Titanato de litio, más de 10,000 ciclos, el cambio de volumen del 1%, sin formación de dendrita, excelente estabilidad, carga rápida, pero alto precio, baja densidad de energía, alrededor de 170 WH / kg;

(3) El grafeno, que se puede utilizar en materiales de cátodos y aditivos positivos, tiene una conductividad excelente, una transferencia de iones rápida, un primer efecto deficiente, alrededor del 65%, una circulación deficiente y un precio elevado;

(4) Las baterías de manganeso ricas en litio, con una densidad de energía de aproximadamente 900wh / kg, son ricas en materias primas pero tienen efectos primarios bajos, baja seguridad, mala circulación y bajo rendimiento de aumento;

(5) Materiales ternarios NCM, generalmente a 250 Wh / kg, con un electrodo negativo de sílice, aproximadamente 350 Wh / kg;

(6) CNT, nanotubos de carbono, conductividad eléctrica superior, conductividad térmica excelente;

(7) Recubrimiento del diafragma, sótano + PVDF + Bomushi, mejora la resistencia de la membrana a la contractilidad, baja conducción de calor, evita que todo el calor se salga de control;

(8) Electrolito de alto voltaje, esto es evidente, con la densidad de energía del material energético, el voltaje también aumenta en consecuencia;

(9) Aglutinantes a base de agua, para la protección del medio ambiente y la salud.

Prelitiación. Antes de hablar de esto, hablemos de los primeros efectos de las semi-baterías (materiales polares positivos, tabletas de litio metálicas negativas) y batería completa.

Este es el primer efecto de la media batería de ácido de cobalto de litio. Si no comprende que toda la batería y la mitad de la batería no son lo mismo, comprenderá que este es el primer efecto del material positivo.

La primera capacidad de carga de la semi-batería es ligeramente superior a la primera capacidad de descarga, es decir, los iones de litio que se desprenden del polo positivo durante la carga, y no regresan al 100% al polo positivo cuando se descarga. El primer volumen de descarga / primera capacidad de carga es la primera eficiencia de esta semi-batería.

La primera eficiencia del ternario es la más baja, generalmente del 85 al 88%; El ácido de litio y cobalto es el segundo, generalmente, 94 ~ 96%; El fosfato de litio y hierro es ligeramente más alto que el fosfato de litio y cobalto, que es del 95% al 97%. El primer efecto del material del cátodo se debe principalmente al cambio en la estructura del material del cátodo después del desembebido. No hay suficiente colocación de litio y los iones de litio no pueden regresar en la primera descarga.

La diferencia entre una media batería de grafito y un polo positivo es que el grafito es un electrodo positivo y una hoja de litio metálica es un electrodo negativo. Por lo tanto, el primer efecto del grafito es significativamente menor que el del material positivo. La razón principal es que los iones de litio pasan a través del electrolito. La película SEI se formará sobre la superficie del grafito. Consume muchos iones de litio. Los iones de litio dedicados a la película SEI no pueden regresar al polo negativo.

La primera eficiencia de toda la batería, después de que la batería se inyecta con líquido, debe pasar por el proceso de conversión (solo carga) y dividir la capacidad (con carga y descarga). En general, el primer paso para convertir y dividir la capacidad es el proceso de carga. La suma de las dos capacidades es la primera vez que toda la batería se llena de capacidad; El segundo paso del paso de separación de capacidad es generalmente descargar del estado completo al aire, por lo que este paso de capacidad es la capacidad de descarga de la batería completa. Combinando los dos, se obtiene un algoritmo para la primera eficiencia de toda la batería:

Primera eficiencia de la batería completa = capacidad capacidad de descarga de la segunda etapa / (convertida en capacidad de llenado + capacidad capacidad de llenado de la primera etapa)

Para reducir las desviaciones en la vida diaria, la segunda capacidad de descarga completa se toma como capacidad de la batería.

En resumen, podemos sacar una conclusión. Si el positivo de la batería usa un material ternario con una eficiencia inicial del 88%, el electrodo negativo usa un material de grafito con una eficiencia inicial del 92%. Para esta batería llena, la primera eficiencia es del 88%, es decir, cuando el efecto del polo positivo es del 88% y el efecto del polo negativo es del 92%, el primer efecto de la batería llena es del 88%, que es igual al positivo más bajo. polo.

Por supuesto, además del efecto de los materiales de la batería en el primer efecto, la superficie específica de los materiales de los electrodos también es un factor importante. Cuanto mayor sea el área de superficie específica del grafito, mayor será la membrana SEI formada, más iones de litio deben consumirse y menor será el primer efecto. Además, también está relacionado con la conversión de la batería en un sistema de carga, y completar el SOC apropiado también afectará el primer efecto de la batería hasta cierto punto.

Para una batería llena, la película SEI formada en la interfaz del electrodo negativo durante la formación de consume iones de litio desintercalados del electrodo positivo y reduce la capacidad de la batería. Si podemos encontrar una fuente de litio desde el exterior del material del electrodo positivo, la formación de la película SEI consume el ión de litio de la fuente de litio externa, de modo que el ión de litio de la desintercalación del electrodo positivo no se desperdicia en el proceso de formación, y finalmente, se puede mejorar la batería completa. capacidad. Este proceso de proporcionar una fuente de litio externa es la pre-litiación.

Tomaré prestado un artículo para contarles sobre el método principal de prelitificación, y solo he visto uno, es un método de pulverización negativa de polvo de litio.

1, polo negativo en el método de antemano

Podemos separar el electrodo negativo en un electrodo negativo y luego ensamblarlo con el electrodo positivo después de que el electrodo negativo forme la membrana SEI. Esto puede evitar la pérdida del par de iones de litio polares y aumentar en gran medida la primera eficiencia y capacidad de toda la batería.

Las placas negativas y las placas de litio se empapan en electrolitos y se cargan con conexiones eléctricas externas. De esta manera, se puede asegurar que los iones de litio consumidos en el momento de la conversión se deriven de placas de litio metálicas en lugar de polos positivos. Una vez terminado el electrodo negativo, se ensambla con el electrodo positivo. No es necesario volver a convertir el núcleo para que el ion de litio del polo positivo no se pierda debido a la formación del electrodo negativo en la membrana SEI, y la capacidad aumentará significativamente.

La ventaja de este método de prelitificación es que se puede normalizar en un proceso con máxima simulación al tiempo que se asegura que el efecto de formación de la membrana SEI sea similar al de toda la batería. Sin embargo, los dos procesos de conversión temprana de películas polares negativas y el ensamblaje de películas polares positivas y negativas son demasiado difíciles de operar.

2, método de pulverización de polvo de litio con electrodo negativo

Dado que es difícil operar el litio usando solo tabletas de electrodos negativos, la gente piensa en métodos de suplementación de litio que rocían polvo de litio directamente sobre las tabletas de electrodos negativos. Primero, se produce una partícula de polvo de litio metálico estable. La capa interna de la partícula es litio metálico y la capa externa es una capa protectora con buena conductividad de iones de litio y conductividad electrónica. Durante el proceso de prelitificación, el polvo de litio se dispersa primero en un solvente orgánico, luego el cuerpo disperso se rocía sobre un electrodo negativo y luego el solvente orgánico residual en el electrodo negativo se seca para obtener un electrodo negativo prelitificado. El trabajo de montaje posterior es coherente con los procesos normales.

Cuando se forma, el polvo de litio rociado sobre el electrodo negativo se consumirá en la formación de la membrana SEI, para maximizar la retención de iones de litio eliminados del electrodo positivo y aumentar la capacidad de toda la batería.

La desventaja de adoptar este método de prelitificación es que la seguridad es difícil de garantizar y el material y el equipo son costosos de reformar.

3, método de electrodo negativo de tres capas

Debido a las limitaciones de los equipos y procesos, la transformación de alto costo para la prelitificación no es una prioridad para las plantas de baterías. Si la prelitificación se puede completar de una manera familiar en plantas de baterías, entonces la generalización mejorará enormemente. El método de electrodo de tres capas que se describe a continuación facilita el funcionamiento de una fábrica de baterías. El núcleo del método de electrodo de tres capas es el procesamiento de lámina de cobre,

En comparación con la hoja de cobre normal, la hoja de cobre del método de electrodo de tres capas está recubierta con el polvo de litio metálico necesario para la transformación tardía. Para evitar que el polvo de litio reaccione con el aire, se aplica una capa de la capa protectora; El polo negativo está pintado directamente sobre la capa protectora.

Cuando el núcleo completa la inyección, la capa protectora se disolverá en el electrolito, permitiendo que el litio metálico entre en contacto con el electrodo negativo, y el ion de litio consumido para formar la membrana SEI se complementará con el polvo de litio metálico. Este método no tiene requisitos estrictos para las condiciones de procesamiento de la fábrica de baterías, pero la estabilidad de la capa protectora en los rodillos de recepción y descarga de electrodos, la presión de los rodillos, el corte y otras posiciones es un gran desafío para el desarrollo de materiales de electrodos, y el El polvo de litio metálico se convierte en un material negativo después de su desaparición. La garantía de adherencia también es bastante difícil.

4, método de material muy de litio

Los pequeños socios que trabajan en la empresa deben haber aprendido que incluso lo que funciona en condiciones de laboratorio puede ser difícil de trasladar a la producción a gran escala de la empresa. El costo de reformar el equipo, el costo de la entrada masiva de materiales y el costo del control del entorno de procesamiento pueden convertirse en lesiones fatales que las nuevas tecnologías no pueden promover. Para la tecnología de litio-eléctrica, el equipo ha sido una industria básicamente madura, el plan de pre-litificación preferido de la empresa será sin duda una forma de promover directamente sin muchos cambios en el sitio, o incluso tomarlo. El método del material de litio es muy rico y satisface las necesidades de la fábrica de baterías.

El llamado método del litio positivo puede entenderse simplemente como un material. Cuando se forma, la cantidad de iones de litio liberados por su polo positivo es varias veces mayor que la cantidad de iones de litio que puede liberar el material utilizado actualmente. Cuando el efecto del polo negativo es menor que el polo positivo, se perderán demasiados iones de litio en el polo negativo cuando se forme, lo que provocará que el espacio efectivo del polo positivo no se llene con iones de litio después de la descarga, lo que resultará en el desperdicio del espacio de litio polar positivo. Si se agrega una pequeña cantidad de material rico en litio con alto contenido de gramos al electrodo positivo, esto puede proporcionar más iones de litio para la formación de la membrana SEI. No hay necesidad de preocuparse de que los materiales ricos en litio no se puedan volver a incrustar durante la descarga (porque los iones de litio proporcionados por los materiales ricos en litio se han consumido por completo cuando se convierten).

Los diversos métodos de prelitificación descritos anteriormente están destinados a baterías de celda completa con un primer efecto negativo menor que uno positivo. Después de la prelitificación de batería completa, la primera vez que la eficiencia máxima solo puede alcanzar el nivel de una semi batería de material positivo. Para baterías con primeros efectos positivos más bajos, el método anterior es básicamente impotente, porque, en este momento, el primer efecto de toda la batería está limitado por el hecho de que ya no hay suficiente espacio para el litio después de la carga positiva. Incluso si el litio es llenado por el mundo exterior, no se puede incrustar en el polo positivo, por lo que no hay ningún efecto.

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