La introducción de material de ánodo y cátodo de batería de iones de litio.

El término fosfato de hierro y litio, batería de litio ternaria, etc. se denominan por el material del ánodo de la batería de iones de litio. En términos relativos, los efectos de los materiales del ánodo y del cátodo juegan un papel importante en el rendimiento de la batería. ¿Cuáles son los materiales habituales de ánodo y cátodo en el mercado reciente? ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de ellos para la batería de iones de litio?

Material del ánodo

En primer lugar, piense más en los siguientes factores de los materiales del ánodo:

Tiene un mayor potencial de reacción redox, para ayudar a la batería de iones de litio a alcanzar un voltaje de salida más alto de la batería de iones de litio.

Alto contenido de iones de litio, alta densidad de embalaje de material, para ayudar a que la batería de iones de litio tenga una mayor densidad de energía.

Tenga una buena estabilidad estructural durante la reacción química, para ayudar a que la batería de iones de litio tenga una vida útil más larga.

Tiene una alta conductividad, para ayudar a que la batería de iones de litio tenga una buena tasa de carga y descarga.

Tiene buena estabilidad química y estabilidad térmica, no es fácil de descomponer y calentar, para ayudar a que la batería de iones de litio tenga un buen rendimiento de seguridad.

Tener un precio más bajo, para reducir el costo de la batería de iones de litio.

Tienen un procesamiento relativamente simple, para liderar la producción en masa.

Sea respetuoso con el medio ambiente y fácil de reciclar.

Algunos indicadores clave, incluida la densidad de energía, la velocidad de carga y descarga, el rendimiento de seguridad, etc., están principalmente limitados por los materiales del ánodo.

Con base en estos factores, los materiales de ánodos recientes en el mercado son los siguientes después de la investigación de ingeniería y la inspección del mercado:

El óxido de litio y cobalto es el que se comercializa más temprano. La batería de iones de litio de primera generación es una batería de óxido de cobalto de litio lanzada por SONY en 1990. Posteriormente se utilizó ampliamente en productos de consumo. Como la adopción masiva de teléfonos móviles, computadoras portátiles y tabletas, el óxido de cobalto de litio ha sido el material popular en el volumen de ventas de material de ánodo de batería de iones de litio. Sin embargo, tiene la desventaja de una baja relación calidad-volumen (no igual a la densidad de energía). La limitación teórica es 274 mAh / g. Considerando la estructura de estabilidad del ánodo, solo puede alcanzar el 50% de la limitación teórica (137 mAh / g). Además, no hay tanto cobalto en la tierra, por lo que el óxido de cobalto de litio no se puede usar ampliamente en el área de baterías de energía debido al alto costo y se reemplaza gradualmente por otros materiales.

al tener deficiencias en cuanto a estabilidad, rendimiento de seguridad y síntesis de material, el niquelato de litio tiene una aplicación menos comercial. Difícilmente puede encontrar este material en el mercado.

La comercialización de la manganita de litio se realiza principalmente en el área de las baterías de energía, una de las ramas importantes de las baterías de iones de litio. Por ejemplo, el coche electrónico de Japan Leaf ha aplicado una batería de litio-manganeso de Japan AESC. Incluso antes, el Volt también ha empleado una batería de manganeso de litio de Corea LG. Las grandes ventajas de la manganita de litio son el bajo costo y el buen rendimiento a baja temperatura, mientras que las desventajas son la baja capacidad específica (el valor limitado es 148 mAh / g), el bajo rendimiento a alta temperatura y el bajo ciclo de vida. Por lo tanto, la manganita de litio tiene un cuello de botella obvio en su desarrollo. Recientemente, la dirección de la investigación es la modificación de la manganita de litio mediante el dopaje de otros elementos para cubrir sus deficiencias.

El fosfato de litio y hierro ha sido popular en China durante un tiempo. Por un lado, cuenta con el apoyo tecnológico de instituciones y empresas de investigación científica estadounidenses. Por otro lado, afectados por la industrialización de BYD en China, el material de las empresas nacionales de baterías de iones de litio es principalmente fosfato de hierro y litio en los últimos años. Sin embargo, los requisitos de densidad de energía de las baterías de iones de litio de todo el mundo son cada vez más estrictos. La capacidad específica teórica del fosfato de hierro y litio es de 170 mAh / g, mientras que el valor real ronda los 120 mAh / g, lo que ha limitado su aplicación. Además, no tiene una capacidad de velocidad atractiva o un rendimiento a baja temperatura. Recientemente, BYD lanzó materiales de fosfato de hierro y litio modificados y aparentemente mejoró la densidad de energía. Nadie sabe lo que han agregado a los materiales sin que la técnica lo revele. En cuanto a las áreas de aplicación de producción, el mercado de almacenamiento de energía puede ser el mercado importante de la batería de fosfato de hierro y litio. Por el contrario, este mercado no es sensible a la densidad de energía, sino a un ciclo de vida largo, un bajo costo y un alto rendimiento de seguridad, que son exactamente las ventajas de los materiales de fosfato de hierro y litio.

Las contrapartes japonesas y surcoreanas han promovido fuertemente la aplicación de materiales ternarios en los últimos años. Dado que NCM se convierte gradualmente en la corriente principal del mercado, las empresas nacionales también siguen la tendencia y reemplazan gradualmente el material por NCM. La capacidad específica de los materiales ternarios es alta, por lo que los productos en el mercado reciente ya tienen hasta 170 ~ 180 mAh / gy luego mejoran la densidad de energía de una sola celda a casi 200Wh / kg, para cumplir con el requisito de un largo kilometraje de conducción. de coche eléctrico. Además, cambiar la composición de los materiales ternarios (valor de X, Y) puede generar una buena capacidad de velocidad para cumplir con el requisito de una batería de iones de litio de alta velocidad pero de pequeña capacidad de PHEV Y HEV. Esta es la razón por la que los materiales ternarios son tan populares. Podemos ver en la fórmula química que NCM ha integrado las ventajas de los óxidos de cobalto de litio (LiCoO2) y manganita de litio (LiMn2O4), y puede mejorar la densidad de energía y la capacidad de velocidad con el elemento Ni.

El NCA puede ser un material de niquelato de litio modificado, que contiene un cierto porcentaje de elemento de cobalto y aluminio (pequeño porcentaje). Es Japón Panasonic la que tiene una aplicación comercial, otras compañías de baterías apenas investigan sobre este material. El motivo de la comparación es que el popular Tesla ha aplicado la batería ternaria 18650 NCA de Panasonic en el sistema de batería de energía de un automóvil eléctrico, y obtuvo un kilometraje de resistencia de casi 500 km, lo que demuestra que este material de ánodo tiene su valor específico.

Todos estos son los materiales de ánodo comunes de las baterías de iones de litio, pero no son representativos de todas las direcciones de la técnica. En realidad, no solo las instituciones universitarias y de investigación científica, sino también las empresas, se han esforzado por investigar un nuevo tipo de batería de iones de litio de material de ánodo, para actualizar el índice clave de densidad de energía, ciclo de vida, etc. a un nivel superior. Hoy en día, los materiales de ánodo de aplicación comercializada no pueden alcanzar 250Wh / kg, o incluso 300Wh / kg de densidad de energía en 2020, por lo que los materiales de ánodo deben tener innovación tecnológica, como modificar la estructura estratificada a la estructura de espinela de materiales de solución sólida y Los materiales compuestos orgánicos también son una de las direcciones de investigación más populares.

Materiales de cátodo

Comparativamente hablando, la investigación sobre el material del cátodo de la batería de iones de litio es menor que el material del ánodo, pero el material del cátodo juega un papel esencial en la mejora del rendimiento de la batería. Cuando elija un material de cátodo de batería de iones de litio, debe considerar los siguientes factores:

Necesita ser estratificado o estructura de túnel, lo que está a favor del desincorporado de iones de litio.

No tiene cambios en la estructura durante la eliminación de iones de litio y tiene una gran reversibilidad de carga y descarga y ciclo de vida.

El ion de litio intenta incrustar y desintegrar tantos como sea posible, a fin de garantizar la mayor capacidad reversible del electrodo.

Tienen un potencial eléctrico bajo en la reacción redox, coordinando con el material del ánodo, para tener un voltaje de salida más alto.

Pequeña capacidad específica de descarga irreversible a la primera

Tener buena consistencia con solvente electrolítico.

Sea rico en recursos y tenga un precio bajo

Buen desempeño de seguridad

Amigable con el medio ambiente

Hay diferentes tipos de materiales de cátodo de batería de iones de litio. Se pueden dividir en materiales de cátodos metálicos (incluida la aleación), materiales de cátodos inorgánicos no metálicos y materiales de cátodos de óxido metálico por su composición química.

Materiales de cátodo metálico: estos materiales tienen una maravillosa capacidad de inserción de litio. El material de cátodo más antiguo en la investigación es el litio. Debido al problema de seguridad y al bajo rendimiento del ciclo de la batería, el litio no se aplica ampliamente como material de cátodo. En los últimos años, la gente tiende a investigar sobre materiales de cátodos de aleación, como aleación a base de estaño, aleación a base de Al, aleación a base de magnesio, aleación a base de Sb, etc., que es una nueva dirección de investigación.

Material de cátodo inorgánico no metálico: es principalmente material de carbono, material de silicio y otros compuestos no metálicos.

Material de óxido de metal de transición: tiene ventajas de estructura estable, ciclo de vida prolongado, etc. Estos materiales incluyen óxido de litio (titanato de litio), óxido compuesto a base de estaño, etc.

En el mercado reciente, los materiales del cátodo dan prioridad a los materiales de carbono, incluidos los materiales de carbono de grafito y no grafito. En el área de automóviles y herramientas eléctricas, el titanato de litio se ha aplicado como material de cátodo por su maravilloso ciclo de vida, rendimiento de seguridad y capacidad de velocidad, pero disminuirá la densidad de energía, lo que hace que no pueda convertirse en la corriente principal en el mercado. Excepto la aleación de estaño que tiene productos fabricados por SONY, otros materiales de cátodos se encuentran principalmente en la fase de investigación y desarrollo, pero rara vez en la aplicación de comercialización.

En cuanto a la tendencia de desarrollo, el material a base de sílice puede reemplazar al material de carbono y ser el próximo material de cátodo principal de la batería de iones de litio, si el problema del ciclo se ha resuelto perfectamente. Los materiales de cátodo de ánodo que incluyen aleación de estaño, aleación de silicio, etc. son otra tendencia popular y se acercarán al producto y al mercado. Además, el óxido de hierro con alto rendimiento de seguridad y densidad de energía puede reemplazar al titanato de litio (LTO) y se usa ampliamente en el área con requisitos de ciclo de vida prolongado y rendimiento de seguridad.

Aquí hay más detalles sobre dos índices clave relacionados con la batería de iones de litio y la energía: densidad de energía y tasa de carga y descarga.

La densidad de energía es la capacidad de almacenamiento en unidad de volumen o peso. Cuanto más alto, mejor. La tasa de carga y descarga es la velocidad de almacenamiento y liberación de energía. Tiene mejor velocidad por segundo, cargando y descargando en un momento.

En realidad, no podemos tener energía infinita o darnos cuenta de un cambio de energía en un momento. Es por eso que necesitamos hacer el proceso de forma continua.