Presenta varios tipos de baterías de iones de litio con tecnología de vanguardia

1, toda la batería de iones de litio de estado sólido

Actualmente, los electrolitos de baterías de iones de litio comerciales son líquidos y, por lo tanto, también se denominan baterías de iones de litio líquidos. En términos simples, una batería de iones de litio de estado sólido significa que todos los componentes de la estructura de la batería están en forma sólida, reemplazando el electrolito líquido y el diafragma de una batería de iones de litio convencional por un electrolito sólido.

En comparación con la batería de iones de litio líquido, todo el electrolito de estado sólido tiene las siguientes ventajas: alta seguridad / excelente estabilidad térmica, trabajo a largo plazo bajo la condición de 60-120 ℃ ; Amplia ventana electroquímica, puede alcanzar más de 5 v, puede igualar el materiales de alto voltaje; La conducción de electrones de conducción de iones de litio no solo; El sistema de enfriamiento es simple, de alta densidad de energía; Se puede utilizar en el campo de las baterías delgadas y flexibles. Pero las deficiencias son obvias: la unidad de área de conductividad iónica es baja, la potencia es peor que la temperatura normal; El costo es muy caro; Producción industrializada de baterías de gran capacidad.

El rendimiento del material electrolítico determina en gran medida la densidad de potencia de la batería de iones de litio de estado sólido, la estabilidad del ciclo, el rendimiento de seguridad, el rendimiento a altas y bajas temperaturas y la vida útil. El electrolito sólido se puede dividir en electrolitos de polímero de clase (generalmente es una mezcla de PEO y sal de litio, material base de electrolito LITFSI) y electrolitos inorgánicos, como el óxido y el sulfuro) de dos tipos grandes. Toda la tecnología de baterías de estado sólido se acepta generalmente que la próxima generación de tecnología de baterías se centra en el desarrollo de la innovación, cree que la tecnología es cada vez más madura en un futuro cercano, estos problemas se pueden resolver.

2, material ternario de baterías de alta densidad de energía

A medida que las personas buscan la densidad de energía de la batería, el material del cátodo ternario atrae cada vez más la atención de la gente. Material de cátodo ternario con alta capacidad específica y buen rendimiento de ciclo, ventajas de bajo costo, generalmente se refiere a la estructura de la capa de materiales de litio con ácido de níquel, cobalto y manganeso. Al mejorar el voltaje de la batería y el contenido de elementos de níquel en el material, se puede mejorar efectivamente la densidad de energía del material del cátodo ternario.

En teoría, el material ternario en sí mismo tiene la ventaja de un alto voltaje: el voltaje de prueba estándar del material del cátodo ternario es 4,35 V, y el material ternario ordinario puede exhibir un buen rendimiento de ciclo bajo este voltaje; El voltaje se incrementa a 4.5V, los materiales simétricos (333 y 442) pueden tener una capacidad de 190, el ciclo también es bueno, 532 es menos cíclico; cuando se carga a 4.6V, la ciclación del material ternario comienza a disminuir, flatulencia El fenómeno se agrava. En la actualidad, el factor que restringe el uso práctico de materiales de cátodos ternarios de alto voltaje es que es difícil encontrar un electrolito de alto voltaje adecuado.

Otra forma de aumentar la densidad de energía de los materiales ternarios es aumentar el contenido de níquel en el material. Generalmente, un material de cátodo ternario con alto contenido de níquel significa que la fracción molar de níquel en el material es mayor que 0,6, y dicho material ternario tiene una relación alta. Capacidad y bajo costo, pero su tasa de retención de capacidad es baja y la estabilidad térmica es pobre. El rendimiento de este material se puede mejorar eficazmente mejorando el proceso de preparación. El tamaño y la morfología micro-nano tienen una gran influencia en el rendimiento de los materiales de cátodos ternarios con alto contenido de níquel. Por tanto, la mayoría de los métodos de preparación que se utilizan actualmente se centran en la dispersión uniforme y se obtienen partículas esféricas de pequeño tamaño y gran superficie específica.

Entre los muchos métodos de preparación, la combinación del método de coprecipitación y el método de fase sólida a alta temperatura es el método principal. En primer lugar, se utiliza el método de coprecipitación para obtener un precursor con materia prima uniforme y tamaño de partícula uniforme, y luego se somete a calcinación a alta temperatura para obtener un material ternario con morfología superficial regular y fácil control del proceso, que es el principal método utilizado en producción industrial. El método de secado por pulverización es más simple que el método de coprecipitación y la velocidad de preparación es rápida. La morfología del material obtenida no es menor que el método de coprecipitación y tiene potencial para futuras investigaciones. Las deficiencias del material de cátodo ternario con alto contenido de níquel durante la mezcla de cationes y el cambio de fase durante la carga y descarga pueden mejorarse eficazmente mediante la modificación por dopaje y la modificación del revestimiento. Mejorar la conductividad, el rendimiento del ciclo, el rendimiento de la velocidad, el rendimiento del almacenamiento y el rendimiento a alta temperatura y alta presión mientras se suprime la aparición de reacciones secundarias y estructuras estabilizadoras seguirá siendo un tema candente de investigación.

3, carbono de silicio de alto volumen negativo

Como parte importante de los materiales del ánodo de la batería de iones de litio, afecta directamente la densidad de energía de la batería, el ciclo de vida y el rendimiento de seguridad y otros indicadores clave. Al silicio se le da un conocido (4200mah / g), el material de cátodo de batería de iones de litio más alto, pero debido a su efecto de más del 300% del volumen, los materiales de electrodo de silicio en el proceso de carga y descarga se pulverizarán y pelarán de la colección de fluido, producen sustancias activas y sustancias activas, la pérdida de contacto eléctrico entre las sustancias activas, al mismo tiempo que se forma constantemente una nueva capa de electrolito sólido SEI, eventualmente conduce al deterioro de las propiedades electroquímicas. Para resolver este problema, los investigadores llevaron a cabo una gran cantidad de exploraciones e intentos, el material compuesto de carbono de silicio tiene una gran perspectiva de aplicación.

Como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio, los materiales de carbono tienen un pequeño cambio de volumen durante la carga y descarga, buena estabilidad de ciclo y excelente conductividad eléctrica, por lo que a menudo se utilizan para la recombinación con silicio. En el material de ánodo compuesto de carbono-silicio, según el tipo de material de carbono, se puede dividir en dos categorías: silicio y materiales de carbono tradicionales y silicio y nuevos materiales de carbono, entre los que los materiales de carbono tradicionales incluyen principalmente grafito, microesferas de mesofase, negro carbón. Y carbono amorfo; Los nuevos materiales de carbono incluyen principalmente nanotubos de carbono, nanocables de carbono, geles de carbono y grafeno. El compuesto de silicio-carbono se utiliza para utilizar la acción porosa del material de carbono para restringir y amortiguar la expansión de volumen del centro activo del silicio, prevenir la aglomeración de las partículas, evitar que el electrolito penetre en el centro y mantener la estabilidad de la interfaz y la película SEI.

Muchas empresas globales ya se han comprometido con este tipo de nuevos materiales de ánodo, como Shenzhen Terry y Jiangxi Zichen ha sido pionera en muchos productos de materiales de ánodo de carbono de silicio, Shanghai Shanshan está en materiales de electrodo negativo de carbono de silicio en el proceso de industrialización, el grafito de la ciudad estrella tiene silicio Materiales de ánodo de carbono para la dirección futura del desarrollo de nuevos productos.

4, materiales de litio de alta capacidad de alto voltaje

Basado en manganeso rico en Li (xLi [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 - x) LiMO2, M es un metal de transición 0 ≤ x ≤ 1, estructura similar a LiCoO2) tiene una alta capacidad específica de descarga y es utilizado actualmente La capacidad real del material del electrodo positivo es aproximadamente 2 veces y, por lo tanto, se ha estudiado ampliamente para materiales de batería de litio. Además, dado que el material contiene una gran cantidad de elemento MN, es más seguro para el medio ambiente y más barato que el LiCoO2 y el material ternario LI [Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3] O2. Por tanto, Xli [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 – x) El material LiMO2 es considerado por muchos estudiosos como el material ideal para la próxima generación de materiales de cátodos de baterías de iones de litio.

En la actualidad, utilizando principalmente el método de preparación de coprecipitación material de base de manganeso de litio rico, también hay algunos investigadores el método de sol-gel, el método de fase sólida, el método de combustión y el método y proceso hidrotermal para la preparación, pero el rendimiento del material que la coprecipitación constante método. Aunque el material tiene una alta capacidad específica, pero su aplicación todavía tiene algunos problemas: por primera vez, el ciclo de la capacidad irreversible de hasta 40 ~ 100 mah / g; La relación de rendimiento es pobre, 1 c de capacidad por debajo de 200 mah / g; El alto voltaje de carga causa la descomposición del electrolito, hace que el rendimiento del ciclo no sea ideal y el uso de problemas de seguridad. Mediante el uso de revestimiento de óxido metálico y otros materiales de electrodo positivo para compuestos, tratamiento de superficies, construya la estructura especial del límite superior de bajo voltaje, el proceso de carga y descarga, medidas como el material de base de manganeso de litio rico del problema anterior pueden obtener una buena solución.

En 2013, los materiales de Ningbo desarrollaron una nueva modificación de la interfaz gas-sólido y dejaron que las partículas ricas en litio y manganeso del material del ánodo formaran una vacante de oxígeno uniforme, mejorando así en gran medida la eficiencia inicial de carga y descarga, la capacidad específica de descarga de los materiales y la estabilidad del ciclo. Impulsó poderosamente el material del ánodo rico en litio y manganeso en el proceso práctico.

5, el electrolito de tolerancia de alto voltaje

Aunque el alto voltaje se presta más atención a los materiales de la batería de litio, pero en la aplicación de producción real, el material del ánodo de alto voltaje aún no puede lograr un buen efecto. La mayor limitación es que la ventana de estabilidad electroquímica del electrolito de carbonato es baja, cuando el voltaje de la batería es de 4.5 (VS.LI/Li +), el electrolito comenzó a descomponerse por oxidación severa, en la cual la batería de litio desencadenó reacciones no normales. La tolerancia del sistema de electrólisis de alto voltaje para promover este nuevo material es un vínculo importante en la aplicación práctica.

Mejorar la estabilidad de la interfaz electrodo / electrolito mediante el desarrollo y la aplicación de nuevos sistemas de electrolitos de alta presión o aditivos formadores de películas de alta presión es una forma eficaz de desarrollar electrolitos de alto voltaje, que a menudo se favorecen económicamente. Dichos aditivos que aumentan la capacidad del electrolito para soportar el voltaje incluyen generalmente líquidos iónicos que contienen boro, organofosforados, carbonatos, que contienen azufre y otros tipos de aditivos. Los aditivos que contienen boro incluyen tris (trimetilalcano) borato, bis (oxalato) borato de litio, difluorooxalato de litio borato, tetrametilborato, trimetilborato y trimetilciclotriborano. Los aditivos organofosforados incluyen fosfitos y fosfatos. Los aditivos a base de carbonato incluyen compuestos mercapto que contienen flúor. Los aditivos que contienen azufre incluyen 1,3-propano sultona, dimetoil metano, trifluorometil fenil sulfuro y similares. Los aditivos líquidos iónicos incluyen imidazol y sales de fosfonio cuaternario.

A partir de investigaciones que ya se han informado públicamente en el país y en el extranjero, la introducción de aditivos de alta presión puede generar una tolerancia de 4 electrolitos. Sin embargo, cuando el voltaje de carga llega a 4, cuando el voltaje de carga llega a 4, debe desarrollarse a un mayor resistencia a la tensión del electrolito.

6, resistencia al diafragma de alta temperatura

El diafragma de la batería de litio en la batería de iones de litio que conduce principalmente iones de litio y el aislamiento es el papel del contacto eléctrico entre los cátodos, es uno de los componentes importantes que respaldan el proceso electroquímico completo de carga y descarga de la batería. En el proceso de la batería de litio, cuando la batería se sobrecarga o a temperaturas más altas, el diafragma debe tener suficiente estabilidad térmica (temperatura de deformación térmica> 200 ℃ ), para aislar eficazmente el contacto del electrodo positivo y negativo de la batería, evitar cortocircuitos, como accidentes de fugas térmicas e incluso explosiones. El diafragma de poliolefina ampliamente utilizado en la actualidad, su punto de fusión y baja temperatura de ablandamiento (<165 ℃ ), es difícil garantizar eficazmente la seguridad de la batería y la baja porosidad y baja energía superficial, lo que limita la relación de rendimiento de la batería. Por lo tanto, desarrollar enérgicamente una alta resistencia a las altas temperaturas, la seguridad del diafragma es muy importante.

Los materiales de Ningbo alimentan el laboratorio de ingeniería de baterías de litio y el instituto Dalian de investigación de tecnología de almacenamiento de energía de física química, utilizando una tecnología de moldeo de proceso húmedo, han desarrollado un nuevo tipo de membrana porosa resistente a altas temperaturas, la preparación de membrana porosa de bajo costo, fácil de cuantificar el producción. Los resultados del estudio preliminar muestran que la temperatura de deformación térmica del diafragma es mucho más alta que 200 ℃ , y la estabilidad térmica de la comercialización del diafragma no tejido puede garantizar efectivamente la seguridad de la batería. Al mismo tiempo, este tipo de membrana porosa con alta porosidad y alta curvatura de la estructura de los poros, para garantizar la capacidad de juego de la batería al mismo tiempo, evita eficazmente el microcortocircuito y el fenómeno de autodescarga de la batería. Además, los materiales Ningbo también se desarrollaron con una capa de función intercambiable de iones ultradelgada de diafragma compuesto resistente al calor, basado en la membrana compuesta de gel esqueleto tridimensional resistente al calor y la membrana cerámica.

Además de Ningbo Materials, en 2015, Mitsubishi recubrió con resina de relleno inorgánico de alta resistencia al calor en el separador, de modo que el separador puede mantener un valor de resistencia adecuado a 220 ° C, bloqueando el paso de la corriente.

7, baterías de azufre de litio

Una batería de litio-azufre es una batería de litio en la que se usa un elemento de azufre como electrodo positivo de una batería y el metal de litio se usa como electrodo negativo. La mayor diferencia con la batería de iones de litio general es que el mecanismo de reacción de la batería de litio-azufre es una reacción electroquímica, no una desintercalación de iones de litio. El principio de funcionamiento de las baterías de litio-azufre se basa en complejas reacciones electroquímicas. Hasta ahora, los productos intermedios formados durante la carga y descarga de electrodos de azufre no se han podido caracterizar. Generalmente se cree que la reacción del electrodo negativo durante la descarga es que el litio pierde electrones para convertirse en iones de litio, y el electrodo positivo reacciona con azufre para reaccionar con iones de litio y electrones para formar sulfuros. La diferencia de potencial entre el electrodo positivo y el electrodo negativo es el voltaje de descarga proporcionado por la batería de litio-azufre. Bajo la acción del voltaje aplicado, los electrodos positivo y negativo de la batería de litio-azufre reaccionan a la inversa, que es el proceso de carga.

La mayor ventaja de las baterías de litio-azufre es su capacidad específica teórica (1672mAh / g) y energía específica (2600Wh / kg), que es mucho más alta que otros tipos de baterías de iones de litio ampliamente utilizados en el mercado, y debido a la abundancia de azufre. reservas. Esta batería es económica y ecológica. Sin embargo, las baterías de litio-azufre también tienen algunas desventajas: la conductividad electrónica y la conductividad iónica del azufre elemental son malas; los productos de descarga intermedia de las baterías de litio-azufre se disuelven en el electrolito orgánico y los iones de polisulfuro pueden migrar entre los electrodos positivo y negativo, lo que genera actividad. Pérdida material; el ánodo de metal-litio sufrirá cambios de volumen durante la carga y descarga, y las dendritas se forman fácilmente; El electrodo positivo de azufre tiene hasta un 79% de expansión / contracción de volumen durante la carga y descarga.

Los métodos principales para resolver estos problemas generalmente a partir de dos aspectos del electrolito y el material del ánodo, el electrolito, utilizan principalmente éteres como electrolito, batería, electrolito, electrolito, agregar algunos aditivos puede ser muy efectivo para aliviar los problemas de disolución de compuestos de azufre de litio. El material del ánodo, principalmente el material compuesto de azufre y carbono, o el compuesto orgánico y de azufre, puede resolver el problema de la expansión volumétrica y no conductora del azufre.

La batería de litio-azufre todavía está en la etapa de investigación y desarrollo de laboratorio, la academia de ciencias de China, el Politécnico de Nanyang, Stanford, el Instituto de Investigación de Tecnología Industrial de Japón y la Universidad de Tsukuba son líderes, y SionPower ha estado en el campo de los portátiles, vehículos aéreos no tripulados (uav) ha realizado aplicaciones importantes.

8, baterías de aire de litio

La batería de litio-aire es un nuevo tipo de batería de iones de litio de gran capacidad, desarrollado conjuntamente por el instituto japonés de investigación de tecnología industrial y la organización académica externa en Japón (JSPS). Baterías con metal de litio como ánodo, el oxígeno del aire como ánodo, entre dos electrodos separados por un electrolito sólido; El cátodo utiliza electrolito orgánico, el ánodo se utiliza electrolito acuoso.

En el momento de la descarga del ánodo se disuelve en el electrolito orgánico en forma de ion litio, y luego a través del electrolito sólido el electrolito acuoso de migra al ánodo; Electrónico a través de una transferencia de alambre al ánodo, oxígeno en el aire y agua en modelo de ultramicronización. El hidroxilo generado después de la reacción del carbono superficial, en el electrolito acuoso del ánodo combinado con iones de litio generó hidróxido de litio soluble en agua. Electrónica por transferencia de alambre al cátodo, cuando se carga desde el ánodo, el electrolito acuoso a través del electrolito de iones de litio en estado sólido alcanza la superficie del ánodo, la superficie del cátodo reacciona para generar litio metálico. Los positivos de hidroxilo pierden oxígeno generado electrónicamente.

Las baterías de aire de litio reemplazando el ánodo y el cátodo electrolito lata de litio sin carga, capacidad de descarga de hasta 50000mah / g, alta densidad de energía, teóricamente 30 kg de litio metálico y 40 l de gas liberan la energía de la misma; Producto de hidróxido de litio fácil de reciclar, respetuoso con el medio ambiente. Pero la estabilidad del ciclo, la eficiencia de conversión y la relación de rendimiento son sus deficiencias.

En 2015, la Universidad de Cambridge Gray desarrolló un aire de litio de alta densidad energética. El número de veces de carga fue “más de 2000 veces”, y la eficiencia en el uso de energía superó teóricamente el 90%, lo que hace que el uso práctico de las baterías de litio-aire sea un paso adelante. Ya en 2009, IBM lanzó un proyecto de transporte sostenible para desarrollar una batería de litio-aire adecuada para vehículos eléctricos domésticos. Espera viajar unas 500 millas con una sola carga. Recientemente, Asahi Kasei y Central Glass Corporation de Japón también se unieron a este proyecto, la investigación y el desarrollo de institutos de investigación y empresas reconocidas en el campo de las baterías de litio y aire promoverán en gran medida la aplicación de esta tecnología de batería.

La página contiene el contenido de la traducción automática.