Desarrollo de materiales para baterías de litio en China y cuatro tendencias
En los últimos diez años, China ha avanzado mucho en el desarrollo del litio. materiales para bateríasEl desarrollo futuro de las baterías de litio se centrará en el avance de los materiales de las baterías y en la mejora y el perfeccionamiento continuos de los materiales de las baterías. El desarrollo futuro de las baterías de litio se centrará en el avance de los materiales de las baterías y en la mejora e iteración continua de los materiales de las baterías.
Como material central de la cadena industrial de las baterías de litio, la localización de estos materiales para baterías y el continuo progreso tecnológico son de gran importancia para que la tecnología china de baterías de litio se sitúe a la vanguardia mundial.
Índice
Los materiales y tecnologías de las baterías de litio chinas evolucionan rápidamente
El litio es el elemento metálico con menor peso atómico de la tabla periódica de elementos químicos, y también es el metal con menor densidad, menor equivalente electroquímico y menor potencial de electrodo. Las baterías de litio se han convertido en la corriente principal hoy en día, con las siguientes ventajas:
● Alta energía específica. En términos de energía específica de masa y energía específica de volumen, las baterías de litio son más de tres veces superiores a las de plomo-ácido.
● Larga vida útil. Por lo general, el número de ciclos de las baterías de plomo-ácido es de unas 400 a 600 veces, inferior al de las baterías de litio.
● Amplio rango de potencia de carga. Puede cargarse rápidamente a 1~3C, y la eficiencia de carga es superior a 85%, que mejorará aún más con el progreso continuo de la tecnología de control eléctrico;
● Rendimiento de descarga de alta velocidad. La velocidad de descarga de las baterías de litio es superior a la de las baterías de plomo-ácido. Las baterías de litio ordinarias pueden alcanzar una descarga de 2-3C, y existen baterías de litio con capacidades de descarga de alta tasa.
China también ha elaborado un plan científico y tecnológico global para el desarrollo de las baterías de litio, y ha publicado una serie de políticas para sentar una buena base para el desarrollo de las baterías de litio. En términos generales, las fuentes tecnológicas mundiales de las baterías de litio son principalmente Japón, China y Corea del Sur, entre las cuales Japón tiene ventaja en las patentes de investigación de materiales para baterías de litio.
Centrándonos en los materiales para baterías de litio, es necesario aumentar la inversión en materiales para baterías de alta densidad energética, bajo coste, más seguros y ligeros durante un periodo de tiempo para llevar a cabo la investigación y el desarrollo y la investigación. Hacer que China rompa cuanto antes la tecnología clave de fabricación de materiales para baterías de toda la cadena industrial de las baterías de litio, forme una producción a gran escala y tenga continuamente nuevas iteraciones de materiales para baterías e iteraciones tecnológicas.
Desarrollo de varios materiales para baterías de litio
Materiales para cátodos con alto contenido en níquel
En los materiales de las pilas, el ternario materiales catódicos se dividen en níquel-cobalto-aluminato de litio (NCA) y níquel-cobalto-manganato de litio (NCM). A medida que aumenta el contenido de níquel, aumenta la capacidad de la batería del material de cátodo ternario, mientras que se deteriora el rendimiento del ciclo. La ventaja del material de cátodo con alto contenido en níquel es que tiene una alta capacidad específica y es una opción excelente para las baterías de potencia. Aunque el alto contenido en níquel tiene la ventaja de una elevada capacidad específica, a menudo provoca un rendimiento de ciclo deficiente debido a cambios estructurales y superficiales. En consecuencia, los principales problemas de los materiales de cátodo con alto contenido en níquel son:
● Difícil sintetizar materiales con relación estequiométrica; ● Alto contenido de álcali total, fácil de reaccionar con el CO2 y la humedad del aire; ● Escasa estabilidad térmica y seguridad.
Por lo tanto, es necesario investigar la tecnología de modificación de los materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel para mejorar su rendimiento. El proceso de producción de materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel incluye los siguientes pasos: mezcla de litiación, encapsulado, calcinación, trituración, clasificación, eliminación de impurezas, envasado, etc. La diferencia con los materiales ternarios ordinarios radica principalmente en que los requisitos de materia prima son elevados, el proceso es más complicado y la preparación es difícil, por lo que su coste es relativamente más elevado.
Aunque se ha producido un desarrollo en los dos últimos años, la cuota de mercado global de materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel no es grande, se está liberando capacidad de producción de alto contenido en níquel, el mercado está avanzando gradualmente en la aplicación de materiales ternarios de alto contenido en níquel, y su tecnología también mejora constantemente.
Electrolito sólido
Entre los materiales de la batería de litio, el electrolito sólido en lugar del electrolito líquido se considera un medio importante para resolver el problema de seguridad de la batería de iones de litio como energía. Las baterías de iones de litio suelen utilizar electrolitos orgánicos inflamables. Cuando se utilizan como baterías de energía eléctrica, la sobrecarga o las colisiones accidentales pueden hacer que el electrolito se incendie y provoque accidentes de seguridad. La ventaja del electrolito líquido es que puede maximizar el área de contacto entre el electrodo y el electrolito para reducir la impedancia electroquímica.
Sin embargo, los electrolitos líquidos tienen desventajas como la baja estabilidad termodinámica, la escasa conductividad del Li+, la polarización por concentración, el estrecho rango de temperaturas de funcionamiento, la facilidad de incendio y la facilidad de fuga. Por el contrario, las ventajas de los electrolitos sólidos en los materiales de las baterías incluyen una buena seguridad, buena maquinabilidad, estructura simplificada de la batería, amplio rango de temperatura de funcionamiento, buena estabilidad química y electroquímica, y larga vida de ciclo. Sin embargo, los electrolitos sólidos también se enfrentan a problemas que hay que resolver: la mayor parte de la eficiencia de conducción del Li+ es muy baja; no pueden coexistir de forma estable con el litio metálico.
La impedancia electroquímica es grande debido a la limitada superficie de contacto entre el electrolito y los electrodos. Los electrolitos sólidos no son compatibles con los materiales de las baterías catódicas y anódicas en términos de estabilidad electroquímica y química. En la actualidad, la investigación en torno a los electrolitos sólidos está en curso, y los materiales de los electrolitos sólidos seguirán mejorando y haciendo más avances.
Materiales de ánodo de silicio
Comercial ánodo de batería de iones de litio son principalmente de grafito, pero la capacidad específica de este tipo de material de batería es muy baja, y el rendimiento de carga y descarga a alta velocidad es deficiente. La capacidad específica teórica del material de ánodo de silicio simple es de 4200mA-h/g, más de diez veces la del grafito natural; la tensión de trabajo es tan baja como 0,3V. Con el fin de lograr una mayor capacidad específica de las baterías de iones de litio para satisfacer las necesidades de las baterías de potencia, se ha invertido mucho en la investigación de materiales de ánodo de silicio para baterías. El silicio es un importante punto caliente de investigación en la actualidad, y se considera uno de los materiales de ánodo con más potencial.
Sin embargo, los ánodos basados en silicio tienen una gran capacidad y grandes cambios de volumen en los materiales de las baterías. En la actualidad, los aditivos y otros medios se utilizan principalmente para mejorar la capacidad en gramos, la estabilidad del ciclo y la capacidad de absorción de líquidos del material del ánodo. En la actualidad, durante el ciclo de carga-descarga, el material del ánodo de silicio provocará un enorme cambio de volumen debido a la intercalación y la deslitiación del litio, lo que conducirá a la pulverización y descascarillado del material activo, lo que reducirá el rendimiento del ciclo del electrodo.
El desarrollo de materiales de ánodo compuestos de silicio-carbono permite evitar eficazmente la pulverización del silicio debida a la expansión excesiva del volumen durante la carga y la descarga. Además, el carbono como material de revestimiento de las baterías puede estabilizar eficazmente la interfaz entre el material del electrodo y el electrolito. Por lo tanto, se espera que los compuestos de silicio-carbono sustituyan al grafito como ánodo de las baterías de ión-litio de alta densidad energética de próxima generación.
Carpeta de pilas de litio
En los materiales para baterías de litio, la función del aglutinante especial para baterías de litio es unir y mantener los materiales activos de los electrodos, mejorar el contacto electrónico entre los materiales activos de los electrodos y los agentes conductores, los materiales activos y los colectores de corriente, y estabilizar mejor la estructura de las piezas polares . Dado que el volumen del cátodo y el ánodo de la batería de litio se expandirá o encogerá durante la carga y la descarga, se requiere que el aglutinante desempeñe un cierto papel amortiguador.
La película de revestimiento que contiene el material activo no se desprende del colector de corriente ni genera grietas. Aunque la cantidad de aglutinante utilizada es pequeña, su rendimiento como aglutinante tiene una gran influencia en la producción normal y el rendimiento final de las baterías de iones de litio, y es un material auxiliar de batería muy importante en la industria de las baterías.
Los aglutinantes especiales para baterías de litio se dividen principalmente en dos categorías: una es la de los aglutinantes solubles en aceite, que utilizan disolventes orgánicos como dispersantes; la otra es la de los aglutinantes de base acuosa, que utilizan agua como dispersante. El rendimiento del aglutinante afecta directamente al rendimiento de la batería, por lo que un aglutinante adecuado para baterías de litio requiere una baja resistencia y un rendimiento estable en el electrolito. Los aglutinantes desempeñan un papel importante en la mejora del rendimiento cíclico de las baterías, la capacidad de carga y descarga rápidas y la reducción de la resistencia interna de las baterías.
Cuatro grandes tendencias en el desarrollo futuro de los materiales para baterías de litio
El progreso técnico de las baterías de litio procede principalmente de la innovación y la investigación de aplicaciones de los materiales clave de las baterías, y la principal dirección de investigación y desarrollo sigue centrándose en los materiales de las baterías de iones de litio. Esto supondrá un nuevo avance en las prestaciones de seguridad de la batería. La tendencia de desarrollo de los materiales de las baterías de litio se refleja principalmente en los cuatro aspectos principales siguientes:
● Uno es el material del cátodo, que se desarrolla principalmente sobre la base de materiales ternarios de alto níquel, a través del cual los materiales ternarios de alto níquel pueden aumentar la densidad de energía al tiempo que reducen los costes y aumentan la estabilidad.
● El segundo es el material del ánodo. Los nuevos materiales de ánodo de alta capacidad representados por materiales compuestos de silicio-carbono son la tendencia de desarrollo futura.
● El tercero es el electrolito, cuyo objetivo principal es resolver el problema de la escasa estabilidad a altas temperaturas de los electrolitos tradicionales, investigar nuevos electrolitos, evolucionar gradualmente hacia electrolitos poliméricos y, por último, evolucionar hacia electrolitos totalmente sólidos. En el ámbito de los materiales para baterías, la investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales de electrolitos sólidos serán de gran importancia para mejorar el rendimiento de las baterías de litio, reducir los costes de producción y mejorar la estabilidad y la seguridad.
● El cuarto es una nueva generación de aglutinantes de base acuosa. Se desarrollarán más investigaciones en la dirección de diferentes aglutinantes copolímeros a base de agua, en la dirección de una nueva generación de aglutinantes copolímeros multicomponentes resistentes a altas y bajas temperaturas, y en la dirección de propiedades antienvejecimiento más excelentes. En el futuro, la investigación sobre los aglutinantes a base de agua se convertirá en una de las direcciones importantes para la preparación de electrodos de baterías de iones de litio en materiales para baterías de litio.
Desarrollo de materiales para baterías de litio en China y cuatro tendencias
En los últimos diez años, China ha avanzado mucho en el desarrollo del litio. materiales para bateríasEl desarrollo futuro de las baterías de litio se centrará en el avance de los materiales de las baterías y en la mejora y el perfeccionamiento continuos de los materiales de las baterías. El desarrollo futuro de las baterías de litio se centrará en el avance de los materiales de las baterías y en la mejora e iteración continua de los materiales de las baterías.
Como material central de la cadena industrial de las baterías de litio, la localización de estos materiales para baterías y el continuo progreso tecnológico son de gran importancia para que la tecnología china de baterías de litio se sitúe a la vanguardia mundial.
Los materiales y tecnologías de las baterías de litio chinas evolucionan rápidamente
El litio es el elemento metálico con menor peso atómico de la tabla periódica de elementos químicos, y también es el metal con menor densidad, menor equivalente electroquímico y menor potencial de electrodo. Las baterías de litio se han convertido en la corriente principal hoy en día, con las siguientes ventajas:
● Alta energía específica. En términos de energía específica de masa y energía específica de volumen, las baterías de litio son más de tres veces superiores a las de plomo-ácido.
● Larga vida útil. Por lo general, el número de ciclos de las baterías de plomo-ácido es de unas 400 a 600 veces, inferior al de las baterías de litio.
● Amplio rango de potencia de carga. Puede cargarse rápidamente a 1~3C, y la eficiencia de carga es superior a 85%, que mejorará aún más con el progreso continuo de la tecnología de control eléctrico;
● Rendimiento de descarga de alta velocidad. La velocidad de descarga de las baterías de litio es superior a la de las baterías de plomo-ácido. Las baterías de litio ordinarias pueden alcanzar una descarga de 2-3C, y existen baterías de litio con capacidades de descarga de alta tasa.
China también ha elaborado un plan científico y tecnológico global para el desarrollo de las baterías de litio, y ha publicado una serie de políticas para sentar una buena base para el desarrollo de las baterías de litio. En términos generales, las fuentes tecnológicas mundiales de las baterías de litio son principalmente Japón, China y Corea del Sur, entre las cuales Japón tiene ventaja en las patentes de investigación de materiales para baterías de litio.
Centrándonos en los materiales para baterías de litio, es necesario aumentar la inversión en materiales para baterías de alta densidad energética, bajo coste, más seguros y ligeros durante un periodo de tiempo para llevar a cabo la investigación y el desarrollo y la investigación. Hacer que China rompa cuanto antes la tecnología clave de fabricación de materiales para baterías de toda la cadena industrial de las baterías de litio, forme una producción a gran escala y tenga continuamente nuevas iteraciones de materiales para baterías e iteraciones tecnológicas.
Desarrollo de varios materiales para baterías de litio
Materiales para cátodos con alto contenido en níquel
En los materiales de las pilas, el ternario materiales catódicos se dividen en níquel-cobalto-aluminato de litio (NCA) y níquel-cobalto-manganato de litio (NCM). A medida que aumenta el contenido de níquel, aumenta la capacidad de la batería del material de cátodo ternario, mientras que se deteriora el rendimiento del ciclo. La ventaja del material de cátodo con alto contenido en níquel es que tiene una alta capacidad específica y es una opción excelente para las baterías de potencia. Aunque el alto contenido en níquel tiene la ventaja de una elevada capacidad específica, a menudo provoca un rendimiento de ciclo deficiente debido a cambios estructurales y superficiales. En consecuencia, los principales problemas de los materiales de cátodo con alto contenido en níquel son:
● Difícil sintetizar materiales con relación estequiométrica;
● Alto contenido de álcali total, fácil de reaccionar con el CO2 y la humedad del aire;
● Escasa estabilidad térmica y seguridad.
Por lo tanto, es necesario investigar la tecnología de modificación de los materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel para mejorar su rendimiento. El proceso de producción de materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel incluye los siguientes pasos: mezcla de litiación, encapsulado, calcinación, trituración, clasificación, eliminación de impurezas, envasado, etc. La diferencia con los materiales ternarios ordinarios radica principalmente en que los requisitos de materia prima son elevados, el proceso es más complicado y la preparación es difícil, por lo que su coste es relativamente más elevado.
Aunque se ha producido un desarrollo en los dos últimos años, la cuota de mercado global de materiales catódicos ternarios de alto contenido en níquel no es grande, se está liberando capacidad de producción de alto contenido en níquel, el mercado está avanzando gradualmente en la aplicación de materiales ternarios de alto contenido en níquel, y su tecnología también mejora constantemente.
Electrolito sólido
Entre los materiales de la batería de litio, el electrolito sólido en lugar del electrolito líquido se considera un medio importante para resolver el problema de seguridad de la batería de iones de litio como energía. Las baterías de iones de litio suelen utilizar electrolitos orgánicos inflamables. Cuando se utilizan como baterías de energía eléctrica, la sobrecarga o las colisiones accidentales pueden hacer que el electrolito se incendie y provoque accidentes de seguridad. La ventaja del electrolito líquido es que puede maximizar el área de contacto entre el electrodo y el electrolito para reducir la impedancia electroquímica.
Sin embargo, los electrolitos líquidos tienen desventajas como la baja estabilidad termodinámica, la escasa conductividad del Li+, la polarización por concentración, el estrecho rango de temperaturas de funcionamiento, la facilidad de incendio y la facilidad de fuga. Por el contrario, las ventajas de los electrolitos sólidos en los materiales de las baterías incluyen una buena seguridad, buena maquinabilidad, estructura simplificada de la batería, amplio rango de temperatura de funcionamiento, buena estabilidad química y electroquímica, y larga vida de ciclo. Sin embargo, los electrolitos sólidos también se enfrentan a problemas que hay que resolver: la mayor parte de la eficiencia de conducción del Li+ es muy baja; no pueden coexistir de forma estable con el litio metálico.
La impedancia electroquímica es grande debido a la limitada superficie de contacto entre el electrolito y los electrodos. Los electrolitos sólidos no son compatibles con los materiales de las baterías catódicas y anódicas en términos de estabilidad electroquímica y química. En la actualidad, la investigación en torno a los electrolitos sólidos está en curso, y los materiales de los electrolitos sólidos seguirán mejorando y haciendo más avances.
Materiales de ánodo de silicio
Comercial ánodo de batería de iones de litio son principalmente de grafito, pero la capacidad específica de este tipo de material de batería es muy baja, y el rendimiento de carga y descarga a alta velocidad es deficiente. La capacidad específica teórica del material de ánodo de silicio simple es de 4200mA-h/g, más de diez veces la del grafito natural; la tensión de trabajo es tan baja como 0,3V. Con el fin de lograr una mayor capacidad específica de las baterías de iones de litio para satisfacer las necesidades de las baterías de potencia, se ha invertido mucho en la investigación de materiales de ánodo de silicio para baterías. El silicio es un importante punto caliente de investigación en la actualidad, y se considera uno de los materiales de ánodo con más potencial.
Sin embargo, los ánodos basados en silicio tienen una gran capacidad y grandes cambios de volumen en los materiales de las baterías. En la actualidad, los aditivos y otros medios se utilizan principalmente para mejorar la capacidad en gramos, la estabilidad del ciclo y la capacidad de absorción de líquidos del material del ánodo. En la actualidad, durante el ciclo de carga-descarga, el material del ánodo de silicio provocará un enorme cambio de volumen debido a la intercalación y la deslitiación del litio, lo que conducirá a la pulverización y descascarillado del material activo, lo que reducirá el rendimiento del ciclo del electrodo.
El desarrollo de materiales de ánodo compuestos de silicio-carbono permite evitar eficazmente la pulverización del silicio debida a la expansión excesiva del volumen durante la carga y la descarga. Además, el carbono como material de revestimiento de las baterías puede estabilizar eficazmente la interfaz entre el material del electrodo y el electrolito. Por lo tanto, se espera que los compuestos de silicio-carbono sustituyan al grafito como ánodo de las baterías de ión-litio de alta densidad energética de próxima generación.
Carpeta de pilas de litio
En los materiales para baterías de litio, la función del aglutinante especial para baterías de litio es unir y mantener los materiales activos de los electrodos, mejorar el contacto electrónico entre los materiales activos de los electrodos y los agentes conductores, los materiales activos y los colectores de corriente, y estabilizar mejor la estructura de las piezas polares . Dado que el volumen del cátodo y el ánodo de la batería de litio se expandirá o encogerá durante la carga y la descarga, se requiere que el aglutinante desempeñe un cierto papel amortiguador.
La película de revestimiento que contiene el material activo no se desprende del colector de corriente ni genera grietas. Aunque la cantidad de aglutinante utilizada es pequeña, su rendimiento como aglutinante tiene una gran influencia en la producción normal y el rendimiento final de las baterías de iones de litio, y es un material auxiliar de batería muy importante en la industria de las baterías.
Los aglutinantes especiales para baterías de litio se dividen principalmente en dos categorías: una es la de los aglutinantes solubles en aceite, que utilizan disolventes orgánicos como dispersantes; la otra es la de los aglutinantes de base acuosa, que utilizan agua como dispersante. El rendimiento del aglutinante afecta directamente al rendimiento de la batería, por lo que un aglutinante adecuado para baterías de litio requiere una baja resistencia y un rendimiento estable en el electrolito. Los aglutinantes desempeñan un papel importante en la mejora del rendimiento cíclico de las baterías, la capacidad de carga y descarga rápidas y la reducción de la resistencia interna de las baterías.
Cuatro grandes tendencias en el desarrollo futuro de los materiales para baterías de litio
El progreso técnico de las baterías de litio procede principalmente de la innovación y la investigación de aplicaciones de los materiales clave de las baterías, y la principal dirección de investigación y desarrollo sigue centrándose en los materiales de las baterías de iones de litio. Esto supondrá un nuevo avance en las prestaciones de seguridad de la batería. La tendencia de desarrollo de los materiales de las baterías de litio se refleja principalmente en los cuatro aspectos principales siguientes:
● Uno es el material del cátodo, que se desarrolla principalmente sobre la base de materiales ternarios de alto níquel, a través del cual los materiales ternarios de alto níquel pueden aumentar la densidad de energía al tiempo que reducen los costes y aumentan la estabilidad.
● El segundo es el material del ánodo. Los nuevos materiales de ánodo de alta capacidad representados por materiales compuestos de silicio-carbono son la tendencia de desarrollo futura.
● El tercero es el electrolito, cuyo objetivo principal es resolver el problema de la escasa estabilidad a altas temperaturas de los electrolitos tradicionales, investigar nuevos electrolitos, evolucionar gradualmente hacia electrolitos poliméricos y, por último, evolucionar hacia electrolitos totalmente sólidos. En el ámbito de los materiales para baterías, la investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales de electrolitos sólidos serán de gran importancia para mejorar el rendimiento de las baterías de litio, reducir los costes de producción y mejorar la estabilidad y la seguridad.
● El cuarto es una nueva generación de aglutinantes de base acuosa. Se desarrollarán más investigaciones en la dirección de diferentes aglutinantes copolímeros a base de agua, en la dirección de una nueva generación de aglutinantes copolímeros multicomponentes resistentes a altas y bajas temperaturas, y en la dirección de propiedades antienvejecimiento más excelentes. En el futuro, la investigación sobre los aglutinantes a base de agua se convertirá en una de las direcciones importantes para la preparación de electrodos de baterías de iones de litio en materiales para baterías de litio.
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