¿Qué pasa con los materiales ternarios para baterías de litio?

El costo de los materiales del ánodo en las baterías de iones de litio es de aproximadamente el 40%, y el de los materiales del ánodo es solo de aproximadamente el 5%. Por lo tanto, se puede ver que los materiales del ánodo juegan un papel importante en las baterías de iones de litio. Los materiales de los ánodos se dividen principalmente en tres categorías, a saber, estructura en capas, estructura de espinela y estructura de olivino. Los materiales representativos de estructura de espinela y estructura de olivino son LiMn2O4 y LiFePO4, mientras que los materiales representativos de estructura estratificada son LiMO2 (M = Ni, Co, Mn) y materiales ternarios.

Introducción a los materiales de ánodos ternarios.

En 1999, ZhaolinLiu et al. de la universidad nacional de Singapur propuso por primera vez los materiales ternarios de Li (Ni, Co, Mn) O2 en capas con diferentes componentes. A través del efecto sinérgico de ni-co-mn, combinaron las ventajas de un buen rendimiento de circulación de LiCoO2, alta capacidad específica de LiNiO2 y bajo costo y rendimiento de seguridad de LiMnO2.

En el caso de los vehículos eléctricos, se requiere una mayor potencia de la batería para llegar más lejos, y los materiales ternarios tienen mayor energía y prometen una mayor resistencia que el LFP, que se usa ampliamente en baterías eléctricas. En la actualidad, el precio de los automóviles eléctricos en la industria es muy alto, y el alto costo de la batería de energía es una de las razones importantes, que representa casi la mitad del precio de todo el automóvil.

El material del ánodo ternario tiene una vida más larga, por lo que la batería de potencia se puede utilizar durante más tiempo, mejorando así el rendimiento de costes de los vehículos eléctricos. Sin embargo, en enero del año pasado, el estado suspendió el uso de baterías ternarias de iones de litio en automóviles de pasajeros, principalmente debido al desempeño de seguridad inestable de los materiales ternarios. Después de todo, en la explosión del conocimiento actual, nada puede impedir que las personas exploren nuevas tecnologías, excepto la seguridad.

Con el cambio de la proporción de los tres elementos de ni-co-mn, los materiales ternarios se pueden dividir aproximadamente en dos tipos: isotipo Ni: Mn y tipo rico en níquel. En el primero, Co es +3, Ni es +2 y Mn es +4. La valencia invariante de Mn juega un papel en la estabilización de la estructura. Al cargar, el Ni pierde 2 electrones, manteniendo las características de alta capacidad del material.

Para mejorar la capacidad de la batería y aumentar el contenido de Ni, se le llama tipo rico en níquel. En tales materiales, Co es valencia +3, Ni es valencia + 2 / + 3 y Mn es valencia +4. Cuando el voltaje de carga es inferior a 4,4 v (relativo a Li + / Li), Ni + 2 / + 3 se oxida para formar Ni + 4. Continúe cargando. A un voltaje alto, el Co3 + reacciona para producir Co4 +. Por debajo de 4.4v, cuanto mayor es el contenido de Ni, mayor es la capacidad reversible del material.

El NCA formado al reemplazar Mn4 + con Al3 + también pertenece al material ternario con alto contenido de níquel. Al3 +, como Mn4 +, tiene el mismo estado de valencia estable y el contenido de Co afecta la conductividad iónica del material. La figura 2 compara las propiedades de materiales ternarios de diferentes componentes.

Figura 2 relación entre la capacidad específica de descarga, la estabilidad térmica y la tasa de retención de capacitancia de materiales ternarios con diferentes componentes

Como puede verse en la figura, con el aumento del contenido de Ni, la capacidad específica del punto de descarga aumentó de 160mA · h · g-1 a más de 200mA · h · g-1, y la estabilidad térmica y la tasa de retención de capacidad disminuido.

3. Problemas existentes en materiales ternarios

· Influencia del aumento del contenido de Ni

Al aumentar el contenido de Ni en los materiales ternarios, se puede mejorar la capacidad de la batería. Sin embargo, la circularidad y la estabilidad térmica empeoran. Cuando el contenido de Ni aumenta, la transición de fase ocurrirá durante el proceso REDOX, resultando en la atenuación de la capacidad. El aumento del contenido de Ni también reduce la temperatura de descomposición térmica y aumenta la liberación de calor, lo que da como resultado una mala estabilidad térmica del material. Para materiales con alto contenido de níquel Li [NixCoyMnz] O2, x> 0,6 materiales son fáciles de reaccionar con CO2 y H2O en el aire para generar Li2CO3, y LiOH, el primero es la principal causa de inflación del gas, y el segundo reaccionará con LiPF6 en el electrolito. Cuando x es mayor, el efecto es más severo.

· Emparejamiento con electrolito

La reacción y la transferencia de carga en la interfaz del electrolito y los materiales del ánodo afectarán el rendimiento de las baterías de iones de litio, y la corrosión de los materiales activos y la descomposición del electrolito afectarán seriamente la transferencia de carga en la interfaz del electrodo / electrolito.

· Reacción superficial irregular

SooyeonHwang [3] y col. del instituto de ciencia y tecnología de Corea descubrió que la estructura del NCA cambiaría durante la carga y que el Li en la superficie de las partículas sería más probable que saliera, lo que resultaría en una estructura de partículas y cristales desiguales en la superficie. Tal cambio causaría una rápida atenuación de la capacidad y un aumento de la impedancia del material.

4. Dirección de investigación y desarrollo de materiales ternarios

El profesor ai xinping de la universidad de wuhan hizo una predicción para la próxima generación de baterías eléctricas. Mencionó que no es difícil que el sistema de batería con NCM y NCA como electrodo positivo y carbono de grafito como electrodo negativo alcance la meta a corto plazo de 150 ~ 170Wh / kg, pero la seguridad es el principal obstáculo para su aplicación de carga. .

En el desarrollo futuro, vale la pena explorar las siguientes cuatro direcciones: materiales ternarios de mayor capacidad; Materiales ternarios de mayor potencia; Mejora del método de síntesis; Estudio sobre aditivos de electrolitos emparejados con materiales ternarios.

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