Introducción de materiales de ánodo y cátodo para baterías de iones de litio

Es normal ver los términos de fosfato de hierro y litio, batería de litio ternaria, que se dividen por el tipo de materiales del ánodo de la batería de iones de litio. En términos relativos, los materiales del ánodo y cátodo de la batería de iones de litio tienen más influencia en las propiedades de la batería. Pero, ¿cuáles son los materiales de ánodo comunes en el mercado actual? ¿Cuáles son sus fortalezas y debilidades para fabricar baterías de iones de litio?

1. Material de ánodo

En primer lugar, echemos un vistazo a los materiales del ánodo, la elección de los materiales del ánodo, principalmente en función de los siguientes factores:

1) Con un alto potencial REDOX, haga que la batería de iones de litio alcance un alto voltaje de salida;

2) Alto contenido de litio, la densidad aparente del material es alta, la batería de iones de litio tiene una alta densidad de energía;

3) La reacción química en el proceso de estabilidad estructural es mejor, hace que la batería de iones de litio tenga una vida útil prolongada;

4) Mayor conductividad, lo que hace que la batería de iones de litio tenga un buen rendimiento de carga y descarga;

5) Mejor estabilidad química y estabilidad térmica, no es fácil de descomponer y tiene fiebre, hace que la seguridad de la batería de iones de litio sea buena;

6) Barato, lo que hace que el costo de la batería de iones de litio sea lo suficientemente bajo;

7) El proceso de fabricación es relativamente simple, fácil de producir en masa.

8) Baja contaminación del medio ambiente, fácil reciclaje.

Actualmente, la densidad de energía, la tasa de carga y descarga, algunos indicadores clave, como la seguridad de la batería de iones de litio, están sujetos principalmente al material del ánodo.

Sobre la base de estos factores a considerar, después de la comercialización de la investigación y las pruebas de ingeniería, el mercado actual de materiales de ánodos comunes que se muestran en la siguiente tabla:

La aplicación comercial de litio con ácido cobalto va primero, la primera generación de aplicaciones comerciales de baterías de iones de litio es SONY en 1990 en el mercado de baterías de iones de litio con ácido cobalto y luego se aplica a gran escala en productos de consumo. Con la popularidad masiva de los teléfonos móviles, portátiles, tabletas, el ácido de cobalto, el litio fue una vez un material de cátodo de batería de iones de litio en las ventas del material más grande. Pero se da la calidad de su inconveniente inherente () no es lo mismo que la densidad de energía es baja, la teoría del límite es 274 mAh / g, en aras de la estabilidad de la estructura positiva, solo puede alcanzar el valor teórico del 50% en términos reales, concretamente 137 mah / g. Al mismo tiempo, debido a que el elemento de cobalto en las reservas terrestres es menor, también conduce a un mayor costo del litio ácido de cobalto, en el campo de la batería de energía dura, la popularización a gran escala, por lo que los materiales del ánodo de litio y ácido de cobalto serán reemplazados gradualmente por otros materiales.

Debido a la estabilidad, la seguridad, la síntesis de materiales, los aspectos difíciles de las deficiencias, la aplicación comercial del litio ácido de níquel es menor, rara vez se ve en el mercado, no se discuta aquí.

La aplicación comercial del litio ácido de manganeso, principalmente en el campo de las baterías eléctricas, es una rama más importante de las baterías de iones de litio. Como el automóvil eléctrico de hoja de Nissan UTILIZA la batería de iones de litio de ácido de manganeso de la compañía japonesa AESC, los primeros Chevrolet Volt también de las baterías de iones de litio de ácido de manganeso químico LG de Corea del Sur. La ventaja destacada del litio ácido de manganeso es el bajo costo, buen rendimiento a baja temperatura, la desventaja es que la capacidad específica es baja, el límite en 148 mAh / gy el rendimiento a alta temperatura es pobre, ciclo de vida bajo. Por lo tanto, el desarrollo de ácido de manganeso de litio tuvo un cuello de botella obvio, en los últimos años, la dirección de la investigación es principalmente ácido de manganeso de litio modificado, a través del dopado con otros elementos, cambiar sus deficiencias.

Material de fosfato de hierro y litio en China durante un tiempo, por un lado, por las instituciones de investigación científica y las empresas en la parte técnica de la unidad, por otro lado, la industrialización impulsada por BYD en el hogar, antes de unos años de batería de iones de litio. Las empresas nacionales en el campo de la batería de energía básicamente se le da prioridad con material de fosfato de hierro y litio. Pero como la demanda global de densidad de energía de la batería de iones de litio es cada vez más alta, y la capacidad específica del límite teórico de fosfato de hierro y litio es de 170 mAh / g, y en realidad solo se puede alcanzar alrededor de 120 mAh / g, no ha podido satisfacer la demanda actual y futura del mercado. Además, la relación del rendimiento del fosfato de hierro y litio, las características de baja temperatura, como las fallas, también limita la aplicación de fosfato de hierro y litio. BYD presentó recientemente un material de fosfato de hierro y litio modificado, la densidad de energía aumentó mucho, tampoco dio detalles técnicos específicos, no sé con qué material hay dentro. En términos de campos de aplicación del producto, la energía debe ser el mercado de almacenamiento de energía de la batería de iones de litio de fosfato de hierro, un mercado importante, por el contrario, el mercado no es particularmente sensible a la densidad de energía, y de larga vida, bajo costo, alta seguridad lo urgente demanda de baterías, ventaja de material de fosfato de hierro y litio.

En los últimos años, Japón y Corea del Sur emprenden vigorosamente para promover la aplicación de material ternario, el material ternario de níquel cobalto manganeso se convierte gradualmente en la corriente principal del mercado, las empresas nacionales también toman la siguiente estrategia, gradualmente se volvieron hacia el material ternario. Alta capacidad específica del material ternario, los productos en el mercado en la actualidad ya pueden alcanzar los 170 ~ 180 mAh / gy ser capaces de aumentar la densidad de energía del monómero de la batería a casi 200 wh / kg, satisface el requisito de largo alcance de electricidad. carros. Además, al cambiar la relación del material ternario (x, y), también se puede lograr una buena relación de rendimiento, a fin de satisfacer la demanda de vehículos PHEV y HEV de una batería de iones de litio de pequeña capacidad de gran relación, que es la causa de el material ternario es popular. Se puede ver en la fórmula química, el material ternario de níquel cobalto manganeso combina (LiCoO2) y el ácido cobalto litio ácido manganeso litio (LiMn2O4) algunas de las ventajas, al mismo tiempo que el elemento níquel, pueden mejorar la densidad de energía y la relación de rendimiento.

El material ternario de aluminio, níquel y cobalto, estrictamente hablando, es en realidad una modificación de los materiales de ácido de níquel y litio (LiNiO2), entre ellos con una cierta proporción de cobalto y aluminio (menos) .La aplicación comercial es principalmente Japón, la empresa Panasonic hace otros iones de litio compañía de baterías poca investigación sobre este material. A modo de comparación, debido a que el famoso Tesla, es utilizar baterías ternarias de níquel y cobalto de aluminio Panasonic 18650 para el sistema de batería de energía del vehículo eléctrico, y lo hizo cerca del rango de 500 kilómetros, ilustra el material del polo positivo, todavía tiene su valor único.

Lo anterior es solo un material de cátodo de batería de iones de litio común, no representa toda la ruta técnica. De hecho, tanto las universidades como los institutos de investigación y las empresas están tratando de estudiar un nuevo tipo de material de cátodo de batería de iones de litio, esperan promover métricas clave como la densidad de energía y la vida a un nivel superior. Y, por supuesto, si desea alcanzar 250 en 2020 Wh / kg, incluso un índice de densidad de energía de 300 Wh / kg, la aplicación comercial de los materiales del ánodo ahora no puede realizarse, por lo que el material del ánodo del cambio tecnológico debe ser más tal como cambio de estructura en capas para la estructura de espinela de materiales sólidos, y los materiales de electrodo positivo para compuestos orgánicos, son actualmente una dirección de investigación popular.

2. El material del cátodo

, por el contrario, los estudios sobre los materiales del ánodo para las baterías de iones de litio, no tanto como el material del ánodo, pero la mejora del rendimiento de los materiales del ánodo para la batería de iones de litio todavía juega un papel vital, la selección de los materiales del ánodo de la batería de iones de litio debe considerar el siguientes condiciones:

1) Debe tener una estructura en capas o túnel, para facilitar y despegar el ión de litio incrustado;

2) Está en iones de litio cuando se incrusta sin el cambio de estructura, tiene buena carga y descarga reversible y ciclo de vida;

3) El ión de litio en la incrustación y fuera debe ser lo más posible, de modo que el electrodo tenga una alta capacidad irreversible;

4) El potencial de reacción REDOX es menor, y el material del ánodo para cooperar, hace que la batería tenga un alto voltaje de salida;

5) Por primera vez, la capacidad específica de descarga irreversible es pequeña;

6) Tiene buena compatibilidad con el solvente electrolítico;

7) Rico en recursos, precio bajo;

8) Seguridad;

9) favorable al medio ambiente.

Hay muchos tipos de materiales de ánodo de batería de iones de litio, según la composición química se pueden dividir en materiales de ánodo metálico (incluida la aleación), materiales de ánodo inorgánicos no metálicos y materiales de ánodo de óxido metálico.

(1) materiales de ánodo de metal: este tipo de material con ultra alta capacidad intercalada-li más. La investigación más temprana son los materiales de ánodo para el metal de litio. Debido a la baja seguridad de la batería y al rendimiento del ciclo, el litio metálico como material negativo no se ha utilizado ampliamente. En los últimos años, la clase de materiales de ánodo de aleación obtuvo una investigación más extensa, como aleación a base de estaño, aleación de aluminio, aleación de magnesio, antimonio, etc., es una nueva dirección.

(2) Materiales de ánodos inorgánicos no metálicos, utilizados en material de cátodo de baterías de iones de litio de materiales inorgánicos no metálicos, principalmente carbono, silicio y otros materiales compuestos no metálicos.

(3) Material de óxido de metal de transición: este tipo de material generalmente tiene estabilidad de estructura, ciclo de vida largo, como óxido de transición de litio (titanato de litio, etc.), óxidos compuestos a base de estaño.

En términos del mercado actual, las aplicaciones comerciales a gran escala, los materiales de ánodo todavía tienen prioridad con los materiales de carbono, se utilizan grafito y los materiales de carbono de grafito. En el campo de las herramientas automotrices y eléctricas, el titanato de litio como material del cátodo también tiene una cierta aplicación, principalmente tiene una excelente relación de vida útil, seguridad y rendimiento, pero reducirá la densidad de energía de la batería, por lo que no es la corriente principal. Otros tipos de materiales de ánodo, además de SONY en productos de aleación de estaño, a la mayoría todavía se le da prioridad con investigación científica y desarrollo de ingeniería, menos aplicación en el mercado.

En términos de la tendencia de desarrollo del futuro, si puede resolver eficazmente el rendimiento de la circulación, los materiales a base de silicio podrían reemplazar los materiales de carbono como la próxima generación de materiales de ánodo de batería de iones de litio. La aleación de estaño, materiales de ánodo de aleación de silicio de una clase, también es una dirección muy popular, será hacia la industrialización. Además, la seguridad y la alta densidad de energía de los óxidos de hierro, podrían reemplazar al titanato de litio (LTO), la larga vida útil y los requisitos de seguridad en algunas áreas superiores, se utilizan ampliamente.

En el siguiente contenido, discutiremos la energía de la batería de iones de litio relacionada con dos indicadores clave: la densidad de energía y la tasa de carga y descarga, una breve discusión.

Densidad energética, que es la energía que se puede almacenar por unidad de volumen o peso, cuanto mayor sea el índice mejor, claro, es toda esencia concentrada. La tasa de carga y descarga, la velocidad de almacenamiento y liberación de energía, debe ser una velocidad de segundos, lo instantáneo está lleno o liberado, a su manera.

Por supuesto, estas son las condiciones ideales. De hecho, afectado por varios factores realistas, es difícil obtener energía ilimitada. Ninguno de los dos puede darse cuenta de la transferencia instantánea de energía. Es nuestra responsabilidad encontrar la respuesta de cómo romper continuamente estas limitaciones y lograr una investigación de mayor nivel.

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