Toda la batería de litio de estado sólido

En la actualidad, los sistemas de baterías seleccionados por los fabricantes chinos de automóviles de nueva energía incluyen principalmente sistemas de grafito / materiales ternarios, sistema de fosfato / grafito de hierro y litio y sistemas de titanato de litio / baterías ternarias. Las empresas de automóviles representativas que eligen baterías de sanyuan son geely, chang 'an, baic, saic, jac, etc. Las empresas de automóviles representativas que eligen baterías de fosfato de hierro y litio son byd, y las empresas de automóviles representativas de baterías de titanato de litio / sanyuan son zhuhai yinlong .

En marzo de 2017, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información y otros cuatro ministerios y comisiones promulgaron conjuntamente el plan de acción para promover el desarrollo de baterías de energía para automóviles, señalando que para 2020, la energía específica del nuevo monómero shenchi de energía de iones de litio es necesaria para exceder los 300Wh / Kg. La energía específica del sistema tiene como objetivo alcanzar los 260Wh / Kg.

A juzgar por las materias primas de los tres tipos de baterías, la energía específica del monómero superior a 300Wh / kg es inalcanzable para las baterías de fosfato de hierro y litio y titanato de litio. Actualmente, solo los materiales ternarios pueden cumplir con estos requisitos. Lo anterior es una comparación de tres sistemas de material de batería de litio. Aunque la batería ternaria tiene una densidad de energía más alta que otras baterías, UTILIZA electrolito líquido, que es un gran riesgo de seguridad. Existe un consenso en la industria de que los electrolitos sólidos pueden resolver los problemas de seguridad de las baterías de litio.

Las baterías de estado sólido no son un concepto nuevo, y Apple las patentó en 2012. Las baterías de estado sólido son baterías con electrodos de estado sólido y electrolitos de estado sólido. El material del ánodo de la batería de estado sólido no es muy diferente al de la batería de electrolito líquido, y el material del ánodo es principalmente metal de litio, aleación de litio o grafeno. Todos estos factores se combinan para hacer una batería sólida de iones de litio. En la actualidad, la batería de litio de estado sólido se puede dividir en batería de electrolito de estado sólido inorgánico y batería de litio de estado sólido de polímero. El desarrollo de la batería de litio de estado sólido depende principalmente del desarrollo de materiales electrolíticos sólidos.

Materiales de electrolitos sólidos

Para las baterías de estado sólido, la selección de materiales de electrolitos de estado sólido apropiados es el contenido central del diseño de la batería. Generalmente, los requisitos de rendimiento de los electrolitos son los siguientes:

(1) conductividad a temperatura ambiente alta;

(2) los electrones no pueden pasar, pero los iones de litio sí;

(3) ancho de la ventana electroquímica;

(4) buena compatibilidad con los materiales de los electrodos;

(5) buena estabilidad térmica, resistencia a la humedad, excelentes propiedades mecánicas;

(6) fácil disponibilidad de materias primas, bajo costo, método de síntesis simple.

Electrolito polimérico

En los conductores de iones de litio basados en polímeros orgánicos, los iones de litio se "disuelven" en la matriz del polímero en forma de sales de litio. La conductividad eléctrica es el parámetro clave para caracterizar la calidad del electrolito, y la tasa de transmisión se ve afectada principalmente por la interacción con el sustrato y la actividad del segmento de la cadena. Mejorar la actividad del segmento de la cadena conduce a mejorar la conductividad de los iones de litio.

En la actualidad, el electrolito sólido polimérico más estudiado es el PEO (óxido de polietileno) y sus derivados, el electrolito polimérico de sal de litio compleja. Los polímeros PEO también tienen buena conductividad iónica y buenas propiedades de procesamiento a temperaturas más altas. Sin embargo, los electrolitos de polímero PEO también tienen problemas tales como baja conductividad iónica a temperatura ambiente y mala compatibilidad con el ánodo de metal de litio.

2. Electrolito sólido inorgánico

Entre los materiales electrolíticos sólidos inorgánicos, el electrolito haluro desarrollado temprano tiene baja conductividad. Estos primeros materiales desarrollados todavía tienen problemas de propiedades químicas inestables y de difícil preparación.

Tanto el electrolito de sulfuro como el electrolito de óxido contienen materiales de vidrio, cerámica y vitrocerámica (vitrocerámica) en tres estados cristalinos diferentes. En general, la conductividad de los sulfuros es a menudo significativamente más alta que la de los óxidos del mismo tipo debido al débil efecto de unión del S sobre el Li en comparación con el O, que conduce a la migración de Li +.

El electrolito de óxido tiene alta estabilidad al aire y al calor, bajo costo de materias primas y fácil de realizar una preparación a gran escala. En el electrolito de óxido, el electrolito de óxido amorfo (vidrio) tiene una conductividad a temperatura ambiente baja y es sensible al vapor de agua en el aire, por lo que la preparación a menudo requiere enfriamiento a alta temperatura, que es difícil de usar en baterías reales.

En el óxido, los iones de litio conducen la conducción en el espacio de la estructura del esqueleto compuesta por O2-, debilitando la interacción li-o, realizando la transmisión tridimensional de los iones de litio y optimizando la relación entre los iones de litio y la concentración de vacantes en la transmisión. canal son propicios para mejorar la conductividad de los iones de litio. A partir de estas ideas, han surgido sucesivamente algunos materiales conductores de óxido de litio con estructuras complejas, entre los que los representativos incluyen el sistema de estructura tipo granate, el sistema de estructura de perovskita y el sistema de estructura de conductor de iones rápidos de sodio. Sin embargo, de estos materiales, solo la estructura granate del sistema de materiales es estable al litio metálico. Los materiales con alta conductividad en las otras dos estructuras contienen Ti, Ge y otros elementos que pueden ser reducidos por el metal litio. Además, el material del sistema de estructura granate tiene buena estabilidad al aire, bajo costo de materia prima y alta resistencia mecánica del cuerpo sinterizado, por lo que tiene el potencial de ser ampliamente utilizado como un electrolito sólido ideal en baterías de litio totalmente sólidas.

Ii. Problemas por resolver

El propósito de introducir electrolito sólido en la batería de litio es superar las limitaciones actuales del electrolito orgánico y mejorar la densidad de energía, la densidad de potencia, el rango de temperatura de funcionamiento y la seguridad de la batería. Sin embargo, para lograr realmente estos objetivos, todavía es necesario resolver primero algunos problemas que existen en el propio material electrolítico existente y en la interfaz con el electrodo.

Por ejemplo, la mejora de la densidad de energía requiere el uso de materiales de ánodos de bajo potencial y alta capacidad, así como materiales de ánodos de alto potencial y alta capacidad. En este caso, la ventana electroquímica con polímero y sulfuro limitados a menudo es difícil de aplicar directamente en el caso de alto voltaje. Mejorar la densidad de potencia requiere mejorar la conductividad del electrolito, que sigue siendo un gran problema.

Tercero, resumen

La batería de litio completamente sólida tiene una seguridad extremadamente alta y su electrolito sólido no es inflamable, no es corrosivo, no es volátil ni tiene fugas de líquido. Al mismo tiempo, también supera el fenómeno de la dendrita de litio, y la probabilidad de combustión espontánea de un automóvil equipado con una batería de litio totalmente sólida se reducirá en gran medida. La densidad de energía actual de la batería de litio totalmente sólida es de aproximadamente 400Wh / Kg, y el potencial máximo estimado es de 900Wh / Kg. Sin embargo, todavía quedan algunos problemas por resolver para mejorar la densidad de energía y la densidad de potencia de las baterías de estado sólido, que deben partir de electrolitos sólidos y materiales de ánodo y cátodo. Una vez que estos problemas puedan resolverse de manera efectiva, sin duda se iniciará una nueva revolución en las baterías en el futuro.

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