Pengembangan bahan baterai lithium China dan empat tren
Dalam sepuluh tahun terakhir, Tiongkok telah membuat kemajuan besar dalam pengembangan lithium bahan bateraiNamun, harus dilihat juga bahwa masih ada kesenjangan antara teknologi baterai lithium China dan teknologi canggih internasional. Pengembangan baterai lithium di masa depan akan berfokus pada kemajuan bahan baterai dan peningkatan serta iterasi bahan baterai yang berkelanjutan.
Sebagai bahan inti dari rantai industri baterai lithium, pelokalan bahan baterai ini dan kemajuan teknologi yang berkelanjutan sangat penting bagi teknologi baterai lithium China untuk menjadi yang terdepan di dunia.
Daftar Isi
Bahan dan teknologi baterai lithium China berkembang pesat
Lithium adalah elemen logam dengan berat atom terkecil dalam tabel periodik unsur kimia, dan juga merupakan logam dengan densitas terkecil, ekuivalen elektrokimia terkecil, dan potensial elektroda terendah. Baterai litium telah menjadi arus utama saat ini, dengan keunggulan sebagai berikut:
● Energi spesifik yang tinggi. Dalam hal energi spesifik massa dan energi spesifik volume, baterai lithium lebih dari tiga kali lebih tinggi daripada baterai asam timbal.
● Siklus hidup yang panjang. Umumnya, jumlah siklus baterai asam timbal adalah sekitar 400 hingga 600 kali, yang lebih rendah daripada baterai lithium.
● Kisaran daya pengisian daya yang luas. Ini dapat diisi dengan cepat pada 1 ~ 3C, dan efisiensi pengisian daya di atas 85%, yang akan semakin ditingkatkan dengan kemajuan berkelanjutan dari teknologi kontrol listrik;
● Performa debit tingkat tinggi. Pengosongan daya baterai litium lebih tinggi daripada baterai asam timbal. Baterai lithium biasa dapat mencapai pengosongan 2-3C, dan ada baterai lithium dengan kemampuan pengosongan tingkat tinggi.
China juga telah membuat rencana ilmiah dan teknologi yang komprehensif untuk pengembangan baterai lithium, dan mengeluarkan serangkaian kebijakan untuk meletakkan dasar yang baik untuk pengembangan baterai lithium. Secara umum, sumber teknologi global baterai lithium terutama adalah Jepang, Cina, dan Korea Selatan, di antaranya Jepang memiliki keunggulan dalam paten penelitian bahan baterai lithium.
Berfokus pada bahan baterai lithium, perlu untuk meningkatkan investasi dalam bahan baterai dengan kepadatan energi tinggi, berbiaya rendah, lebih aman, dan ringan untuk jangka waktu tertentu untuk melakukan penelitian dan pengembangan dan penelitian. Jadikan China menerobos teknologi manufaktur bahan baterai utama dari seluruh rantai industri baterai lithium sesegera mungkin, membentuk produksi skala besar, dan terus menerus melakukan iterasi bahan baterai baru dan iterasi teknologi.
Pengembangan beberapa bahan baterai lithium
Bahan katoda nikel tinggi
Dalam bahan baterai, terner bahan katoda dibagi menjadi nikel-kobalt-aluminat litium (NCA) dan nikel-kobalt litium manganat (NCM). Seiring dengan meningkatnya kandungan nikel, kapasitas baterai dari bahan katoda terner meningkat, sementara kinerja siklusnya menurun. Keuntungan dari bahan katoda nikel tinggi adalah memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan merupakan pilihan yang sangat baik untuk baterai daya. Meskipun nikel tinggi memiliki keunggulan kapasitas spesifik yang tinggi, hal ini sering kali menyebabkan kinerja siklus yang buruk karena perubahan struktural dan permukaan. Sejalan dengan itu, masalah utama bahan katoda nikel tinggi meliputi:
Sulit untuk mensintesis bahan dengan rasio stoikiometri; Kandungan alkali total yang tinggi, mudah bereaksi dengan CO2 dan kelembapan di udara; Kestabilan dan keamanan termal yang buruk.
Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian tentang teknologi modifikasi material katoda terner nikel tinggi untuk meningkatkan kinerjanya. Proses produksi bahan katoda terner nikel tinggi meliputi langkah-langkah berikut: pencampuran litrasi, pot, kalsinasi, penghancuran, perataan, perataan, penghilangan pengotor, pengemasan, dll. Perbedaan dari bahan terner biasa terutama karena kebutuhan bahan bakunya tinggi, prosesnya lebih rumit, dan persiapannya sulit, sehingga biayanya relatif lebih tinggi.
Meskipun telah terjadi perkembangan dalam dua tahun terakhir, pangsa pasar keseluruhan bahan katoda terner nikel tinggi tidak besar, kapasitas produksi nikel tinggi dilepaskan, pasar secara bertahap memajukan penerapan bahan terner nikel tinggi, dan teknologinya juga terus meningkat.
Elektrolit padat
Di antara bahan baterai lithium, elektrolit padat dan bukan elektrolit cair dianggap sebagai cara penting untuk memecahkan masalah keamanan baterai lithium-ion sebagai daya. Baterai lithium-ion umumnya menggunakan elektrolit organik yang mudah terbakar. Ketika digunakan sebagai baterai tenaga listrik, pengisian daya yang berlebihan atau tabrakan yang tidak disengaja dapat menyebabkan elektrolit terbakar dan menyebabkan kecelakaan keselamatan. Keuntungan dari elektrolit cair adalah dapat memaksimalkan area kontak antara elektroda dan elektrolit untuk mengurangi impedansi elektrokimia.
Namun, elektrolit cair memiliki kelemahan seperti stabilitas termodinamika yang rendah, konduktivitas Li+ yang buruk, polarisasi konsentrasi, rentang suhu pengoperasian yang sempit, mudah terbakar, dan mudah bocor. Sebaliknya, keunggulan elektrolit padat dalam bahan baterai meliputi keamanan yang baik, kemampuan mesin yang baik, struktur baterai yang disederhanakan, rentang suhu pengoperasian yang luas, stabilitas kimia dan elektrokimia yang baik, dan siklus hidup yang panjang. Namun, elektrolit padat juga menghadapi masalah yang perlu dipecahkan: sebagian besar efisiensi konduksi Li+ sangat rendah; mereka tidak dapat hidup secara stabil dengan litium logam.
Impedansi elektrokimia besar karena area kontak yang terbatas antara elektrolit dan elektroda. Elektrolit padat tidak kompatibel dengan bahan baterai katoda dan anoda dalam hal stabilitas elektrokimia dan kimia. Saat ini, penelitian seputar elektrolit padat sedang berlangsung, dan bahan elektrolit padat akan terus meningkat dan membuat lebih banyak terobosan.
Bahan anoda silikon
Komersial anoda baterai lithium ion bahan utamanya adalah grafit, tetapi kapasitas spesifik bahan baterai jenis ini sangat rendah, dan kinerja pengisian dan pengosongan tingkat tinggi buruk. Kapasitas spesifik teoritis dari bahan anoda silikon tunggal adalah 4200mA-h / g, lebih dari sepuluh kali lipat dari grafit alami; tegangan kerja serendah 0,3V. Untuk mencapai kapasitas spesifik baterai lithium-ion yang lebih tinggi untuk memenuhi kebutuhan baterai daya, banyak penelitian telah diinvestasikan dalam bahan baterai anoda silikon. Berbasis silikon adalah hotspot penelitian penting saat ini, dan dianggap sebagai salah satu bahan anoda yang paling potensial.
Namun, anoda berbasis silikon memiliki kapasitas besar dan perubahan volume yang besar pada bahan baterai. Saat ini, aditif dan cara lain terutama digunakan untuk meningkatkan kapasitas gram, stabilitas siklus, dan kapasitas penyerapan cairan dari bahan anoda. Saat ini, selama siklus pengisian-pengosongan, bahan anoda silikon akan menyebabkan perubahan volume yang sangat besar karena interkalasi lithium dan delitisasi, yang akan menyebabkan penghancuran dan pengelupasan bahan aktif, yang akan mengurangi kinerja siklus elektroda.
Dengan mengembangkan bahan anoda komposit silikon-karbon, dimungkinkan untuk secara efektif menghindari penghancuran silikon karena ekspansi volume yang berlebihan selama pengisian dan pengosongan. Selain itu, karbon sebagai bahan pelapis baterai dapat secara efektif menstabilkan antarmuka antara bahan elektroda dan elektrolit. Oleh karena itu, komposit silikon-karbon diharapkan dapat menggantikan grafit sebagai anoda untuk baterai lithium-ion dengan densitas energi tinggi generasi berikutnya.
Pengikat baterai litium
Dalam bahan baterai lithium, peran pengikat khusus untuk baterai lithium adalah untuk mengikat dan memelihara bahan aktif elektroda, meningkatkan kontak elektronik antara bahan aktif elektroda dan bahan konduktif, bahan aktif dan pengumpul arus, dan menstabilkan struktur potongan kutub dengan lebih baik. Karena volume katoda dan anoda baterai litium akan mengembang atau menyusut selama pengisian dan pengosongan, pengikat diperlukan untuk memainkan peran penyangga tertentu.
Film pelapis yang mengandung bahan aktif tidak terlepas dari pengumpul arus atau menghasilkan retakan. Meskipun jumlah pengikat yang digunakan kecil, kinerja pengikatnya memiliki pengaruh besar pada produksi normal dan kinerja akhir baterai lithium-ion, dan ini adalah bahan baterai tambahan yang sangat penting dalam industri baterai.
Pengikat khusus baterai litium dalam bahan baterai terutama dibagi menjadi dua kategori: satu adalah pengikat yang larut dalam minyak, menggunakan pelarut organik sebagai dispersan; yang lainnya adalah pengikat berbasis air, menggunakan air sebagai dispersan. Kinerja pengikat secara langsung memengaruhi kinerja baterai, sehingga pengikat baterai lithium yang sesuai membutuhkan resistansi rendah dan kinerja yang stabil dalam elektrolit. Pengikat memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja siklus baterai, kemampuan pengisian dan pengosongan yang cepat, dan mengurangi resistansi internal baterai.
Empat tren utama dalam pengembangan material baterai lithium di masa depan
Kemajuan teknis baterai lithium terutama berasal dari inovasi dan penelitian aplikasi bahan baterai utama, dan arah penelitian dan pengembangan utama masih difokuskan pada bahan baterai lithium-ion. Ini akan membawa terobosan baru pada kinerja keselamatan baterai. Tren pengembangan bahan baterai lithium terutama tercermin dalam empat aspek utama berikut:
Salah satunya adalah bahan katoda, yang terutama dikembangkan berdasarkan bahan terner nikel tinggi, di mana bahan terner nikel tinggi dapat meningkatkan densitas energi sekaligus mengurangi biaya dan meningkatkan stabilitas.
Yang kedua adalah bahan anoda. Bahan anoda berkapasitas tinggi baru yang diwakili oleh bahan komposit silikon-karbon adalah tren pengembangan di masa depan.
Yang ketiga adalah elektrolit, yang terutama ditujukan pada masalah stabilitas suhu tinggi yang buruk dari elektrolit tradisional, meneliti elektrolit baru, secara bertahap berkembang ke arah elektrolit polimer, dan akhirnya berkembang ke arah elektrolit padat. Dalam bahan baterai, penelitian, pengembangan, dan penerapan bahan elektrolit padat akan sangat penting untuk meningkatkan kinerja baterai litium, mengurangi biaya produksi, dan meningkatkan stabilitas dan keamanan.
Yang keempat adalah pengikat berbasis air generasi baru. Lebih banyak penelitian akan dikembangkan ke arah pengikat kopolimer berbasis air yang berbeda, ke arah pengikat kopolimer multi-komponen generasi baru yang tahan terhadap suhu tinggi dan rendah, dan ke arah sifat anti-penuaan yang lebih baik. Di masa depan, penelitian tentang pengikat berbasis air akan menjadi salah satu arah penting untuk persiapan elektroda baterai lithium-ion dalam bahan baterai lithium.
Pengembangan bahan baterai lithium China dan empat tren
Dalam sepuluh tahun terakhir, Tiongkok telah membuat kemajuan besar dalam pengembangan lithium bahan bateraiNamun, harus dilihat juga bahwa masih ada kesenjangan antara teknologi baterai lithium China dan teknologi canggih internasional. Pengembangan baterai lithium di masa depan akan berfokus pada kemajuan bahan baterai dan peningkatan serta iterasi bahan baterai yang berkelanjutan.
Sebagai bahan inti dari rantai industri baterai lithium, pelokalan bahan baterai ini dan kemajuan teknologi yang berkelanjutan sangat penting bagi teknologi baterai lithium China untuk menjadi yang terdepan di dunia.
Bahan dan teknologi baterai lithium China berkembang pesat
Lithium adalah elemen logam dengan berat atom terkecil dalam tabel periodik unsur kimia, dan juga merupakan logam dengan densitas terkecil, ekuivalen elektrokimia terkecil, dan potensial elektroda terendah. Baterai litium telah menjadi arus utama saat ini, dengan keunggulan sebagai berikut:
● Energi spesifik yang tinggi. Dalam hal energi spesifik massa dan energi spesifik volume, baterai lithium lebih dari tiga kali lebih tinggi daripada baterai asam timbal.
● Siklus hidup yang panjang. Umumnya, jumlah siklus baterai asam timbal adalah sekitar 400 hingga 600 kali, yang lebih rendah daripada baterai lithium.
● Kisaran daya pengisian daya yang luas. Ini dapat diisi dengan cepat pada 1 ~ 3C, dan efisiensi pengisian daya di atas 85%, yang akan semakin ditingkatkan dengan kemajuan berkelanjutan dari teknologi kontrol listrik;
● Performa debit tingkat tinggi. Pengosongan daya baterai litium lebih tinggi daripada baterai asam timbal. Baterai lithium biasa dapat mencapai pengosongan 2-3C, dan ada baterai lithium dengan kemampuan pengosongan tingkat tinggi.
China juga telah membuat rencana ilmiah dan teknologi yang komprehensif untuk pengembangan baterai lithium, dan mengeluarkan serangkaian kebijakan untuk meletakkan dasar yang baik untuk pengembangan baterai lithium. Secara umum, sumber teknologi global baterai lithium terutama adalah Jepang, Cina, dan Korea Selatan, di antaranya Jepang memiliki keunggulan dalam paten penelitian bahan baterai lithium.
Berfokus pada bahan baterai lithium, perlu untuk meningkatkan investasi dalam bahan baterai dengan kepadatan energi tinggi, berbiaya rendah, lebih aman, dan ringan untuk jangka waktu tertentu untuk melakukan penelitian dan pengembangan dan penelitian. Jadikan China menerobos teknologi manufaktur bahan baterai utama dari seluruh rantai industri baterai lithium sesegera mungkin, membentuk produksi skala besar, dan terus menerus melakukan iterasi bahan baterai baru dan iterasi teknologi.
Pengembangan beberapa bahan baterai lithium
Bahan katoda nikel tinggi
Dalam bahan baterai, terner bahan katoda dibagi menjadi nikel-kobalt-aluminat litium (NCA) dan nikel-kobalt litium manganat (NCM). Seiring dengan meningkatnya kandungan nikel, kapasitas baterai dari bahan katoda terner meningkat, sementara kinerja siklusnya menurun. Keuntungan dari bahan katoda nikel tinggi adalah memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan merupakan pilihan yang sangat baik untuk baterai daya. Meskipun nikel tinggi memiliki keunggulan kapasitas spesifik yang tinggi, hal ini sering kali menyebabkan kinerja siklus yang buruk karena perubahan struktural dan permukaan. Sejalan dengan itu, masalah utama bahan katoda nikel tinggi meliputi:
Sulit untuk mensintesis bahan dengan rasio stoikiometri;
Kandungan alkali total yang tinggi, mudah bereaksi dengan CO2 dan kelembapan di udara;
Kestabilan dan keamanan termal yang buruk.
Oleh karena itu, perlu dilakukan penelitian tentang teknologi modifikasi material katoda terner nikel tinggi untuk meningkatkan kinerjanya. Proses produksi bahan katoda terner nikel tinggi meliputi langkah-langkah berikut: pencampuran litrasi, pot, kalsinasi, penghancuran, perataan, perataan, penghilangan pengotor, pengemasan, dll. Perbedaan dari bahan terner biasa terutama karena kebutuhan bahan bakunya tinggi, prosesnya lebih rumit, dan persiapannya sulit, sehingga biayanya relatif lebih tinggi.
Meskipun telah terjadi perkembangan dalam dua tahun terakhir, pangsa pasar keseluruhan bahan katoda terner nikel tinggi tidak besar, kapasitas produksi nikel tinggi dilepaskan, pasar secara bertahap memajukan penerapan bahan terner nikel tinggi, dan teknologinya juga terus meningkat.
Elektrolit padat
Di antara bahan baterai lithium, elektrolit padat dan bukan elektrolit cair dianggap sebagai cara penting untuk memecahkan masalah keamanan baterai lithium-ion sebagai daya. Baterai lithium-ion umumnya menggunakan elektrolit organik yang mudah terbakar. Ketika digunakan sebagai baterai tenaga listrik, pengisian daya yang berlebihan atau tabrakan yang tidak disengaja dapat menyebabkan elektrolit terbakar dan menyebabkan kecelakaan keselamatan. Keuntungan dari elektrolit cair adalah dapat memaksimalkan area kontak antara elektroda dan elektrolit untuk mengurangi impedansi elektrokimia.
Namun, elektrolit cair memiliki kelemahan seperti stabilitas termodinamika yang rendah, konduktivitas Li+ yang buruk, polarisasi konsentrasi, rentang suhu pengoperasian yang sempit, mudah terbakar, dan mudah bocor. Sebaliknya, keunggulan elektrolit padat dalam bahan baterai meliputi keamanan yang baik, kemampuan mesin yang baik, struktur baterai yang disederhanakan, rentang suhu pengoperasian yang luas, stabilitas kimia dan elektrokimia yang baik, dan siklus hidup yang panjang. Namun, elektrolit padat juga menghadapi masalah yang perlu dipecahkan: sebagian besar efisiensi konduksi Li+ sangat rendah; mereka tidak dapat hidup secara stabil dengan litium logam.
Impedansi elektrokimia besar karena area kontak yang terbatas antara elektrolit dan elektroda. Elektrolit padat tidak kompatibel dengan bahan baterai katoda dan anoda dalam hal stabilitas elektrokimia dan kimia. Saat ini, penelitian seputar elektrolit padat sedang berlangsung, dan bahan elektrolit padat akan terus meningkat dan membuat lebih banyak terobosan.
Bahan anoda silikon
Komersial anoda baterai lithium ion bahan utamanya adalah grafit, tetapi kapasitas spesifik bahan baterai jenis ini sangat rendah, dan kinerja pengisian dan pengosongan tingkat tinggi buruk. Kapasitas spesifik teoritis dari bahan anoda silikon tunggal adalah 4200mA-h / g, lebih dari sepuluh kali lipat dari grafit alami; tegangan kerja serendah 0,3V. Untuk mencapai kapasitas spesifik baterai lithium-ion yang lebih tinggi untuk memenuhi kebutuhan baterai daya, banyak penelitian telah diinvestasikan dalam bahan baterai anoda silikon. Berbasis silikon adalah hotspot penelitian penting saat ini, dan dianggap sebagai salah satu bahan anoda yang paling potensial.
Namun, anoda berbasis silikon memiliki kapasitas besar dan perubahan volume yang besar pada bahan baterai. Saat ini, aditif dan cara lain terutama digunakan untuk meningkatkan kapasitas gram, stabilitas siklus, dan kapasitas penyerapan cairan dari bahan anoda. Saat ini, selama siklus pengisian-pengosongan, bahan anoda silikon akan menyebabkan perubahan volume yang sangat besar karena interkalasi lithium dan delitisasi, yang akan menyebabkan penghancuran dan pengelupasan bahan aktif, yang akan mengurangi kinerja siklus elektroda.
Dengan mengembangkan bahan anoda komposit silikon-karbon, dimungkinkan untuk secara efektif menghindari penghancuran silikon karena ekspansi volume yang berlebihan selama pengisian dan pengosongan. Selain itu, karbon sebagai bahan pelapis baterai dapat secara efektif menstabilkan antarmuka antara bahan elektroda dan elektrolit. Oleh karena itu, komposit silikon-karbon diharapkan dapat menggantikan grafit sebagai anoda untuk baterai lithium-ion dengan densitas energi tinggi generasi berikutnya.
Pengikat baterai litium
Dalam bahan baterai lithium, peran pengikat khusus untuk baterai lithium adalah untuk mengikat dan memelihara bahan aktif elektroda, meningkatkan kontak elektronik antara bahan aktif elektroda dan bahan konduktif, bahan aktif dan pengumpul arus, dan menstabilkan struktur potongan kutub dengan lebih baik. Karena volume katoda dan anoda baterai litium akan mengembang atau menyusut selama pengisian dan pengosongan, pengikat diperlukan untuk memainkan peran penyangga tertentu.
Film pelapis yang mengandung bahan aktif tidak terlepas dari pengumpul arus atau menghasilkan retakan. Meskipun jumlah pengikat yang digunakan kecil, kinerja pengikatnya memiliki pengaruh besar pada produksi normal dan kinerja akhir baterai lithium-ion, dan ini adalah bahan baterai tambahan yang sangat penting dalam industri baterai.
Pengikat khusus baterai litium dalam bahan baterai terutama dibagi menjadi dua kategori: satu adalah pengikat yang larut dalam minyak, menggunakan pelarut organik sebagai dispersan; yang lainnya adalah pengikat berbasis air, menggunakan air sebagai dispersan. Kinerja pengikat secara langsung memengaruhi kinerja baterai, sehingga pengikat baterai lithium yang sesuai membutuhkan resistansi rendah dan kinerja yang stabil dalam elektrolit. Pengikat memainkan peran penting dalam meningkatkan kinerja siklus baterai, kemampuan pengisian dan pengosongan yang cepat, dan mengurangi resistansi internal baterai.
Empat tren utama dalam pengembangan material baterai lithium di masa depan
Kemajuan teknis baterai lithium terutama berasal dari inovasi dan penelitian aplikasi bahan baterai utama, dan arah penelitian dan pengembangan utama masih difokuskan pada bahan baterai lithium-ion. Ini akan membawa terobosan baru pada kinerja keselamatan baterai. Tren pengembangan bahan baterai lithium terutama tercermin dalam empat aspek utama berikut:
Salah satunya adalah bahan katoda, yang terutama dikembangkan berdasarkan bahan terner nikel tinggi, di mana bahan terner nikel tinggi dapat meningkatkan densitas energi sekaligus mengurangi biaya dan meningkatkan stabilitas.
Yang kedua adalah bahan anoda. Bahan anoda berkapasitas tinggi baru yang diwakili oleh bahan komposit silikon-karbon adalah tren pengembangan di masa depan.
Yang ketiga adalah elektrolit, yang terutama ditujukan pada masalah stabilitas suhu tinggi yang buruk dari elektrolit tradisional, meneliti elektrolit baru, secara bertahap berkembang ke arah elektrolit polimer, dan akhirnya berkembang ke arah elektrolit padat. Dalam bahan baterai, penelitian, pengembangan, dan penerapan bahan elektrolit padat akan sangat penting untuk meningkatkan kinerja baterai litium, mengurangi biaya produksi, dan meningkatkan stabilitas dan keamanan.
Yang keempat adalah pengikat berbasis air generasi baru. Lebih banyak penelitian akan dikembangkan ke arah pengikat kopolimer berbasis air yang berbeda, ke arah pengikat kopolimer multi-komponen generasi baru yang tahan terhadap suhu tinggi dan rendah, dan ke arah sifat anti-penuaan yang lebih baik. Di masa depan, penelitian tentang pengikat berbasis air akan menjadi salah satu arah penting untuk persiapan elektroda baterai lithium-ion dalam bahan baterai lithium.
Posting terkait