Desenvolvimento de materiais para baterias de lítio na China e quatro tendências
Nos últimos dez anos, a China registou grandes progressos no desenvolvimento do lítio materiais para pilhasMas também é preciso ter em conta que ainda existe um certo desfasamento entre a tecnologia chinesa das baterias de lítio e a tecnologia avançada internacional. O desenvolvimento futuro das baterias de lítio centrar-se-á no avanço dos materiais das baterias e na atualização e iteração contínua dos materiais das baterias.
Como material central da cadeia da indústria de baterias de lítio, a localização destes materiais de bateria e o progresso tecnológico contínuo são de grande importância para que a tecnologia de baterias de lítio da China esteja na vanguarda do mundo.
Índice
Os materiais e as tecnologias das baterias de lítio da China estão a desenvolver-se rapidamente
O lítio é o elemento metálico com o peso atómico mais pequeno na tabela periódica dos elementos químicos, sendo também o metal com a densidade mais pequena, o equivalente eletroquímico mais pequeno e o potencial de elétrodo mais baixo. As baterias de lítio tornaram-se o mainstream atual, com as seguintes vantagens:
● Energia específica elevada. Em termos de energia específica de massa e de energia específica de volume, as baterias de lítio são mais de três vezes superiores às baterias de chumbo-ácido.
● Ciclo de vida longo. Geralmente, o número de ciclos das baterias de chumbo-ácido é de cerca de 400 a 600 vezes, o que é inferior ao das baterias de lítio.
● Ampla gama de potência de carregamento. Pode ser carregado rapidamente a 1~3C, e a eficiência de carregamento é superior a 85%, que será ainda melhorada com o progresso contínuo da tecnologia de controlo elétrico;
● Desempenho de descarga de alta velocidade. A taxa de descarga das baterias de lítio é superior à das baterias de chumbo-ácido. As baterias de lítio comuns podem atingir uma descarga de 2-3C, e existem baterias de lítio com capacidades de descarga de alta taxa.
A China também elaborou um plano científico e tecnológico abrangente para o desenvolvimento de baterias de lítio e publicou uma série de políticas para estabelecer uma boa base para o desenvolvimento de baterias de lítio. De um modo geral, as fontes globais de tecnologia das baterias de lítio são principalmente o Japão, a China e a Coreia do Sul, entre os quais o Japão tem uma vantagem nas patentes de investigação de materiais para baterias de lítio.
Centrando-se nos materiais das baterias de lítio, é necessário aumentar o investimento em materiais de bateria de alta densidade energética, de baixo custo, mais seguros e leves durante um período de tempo para realizar investigação e desenvolvimento e investigação. Fazer com que a China consiga, o mais rapidamente possível, ultrapassar a tecnologia de fabrico de materiais de bateria essenciais de toda a cadeia da indústria de baterias de lítio, formar uma produção em grande escala e ter continuamente novas iterações de materiais de bateria e iterações tecnológicas.
Desenvolvimento de vários materiais para baterias de lítio
Materiais de cátodo com alto teor de níquel
Em materiais de bateria, o ternário materiais catódicos dividem-se em lítio-aluminato de níquel-cobalto (NCA) e lítio-manganato de níquel-cobalto (NCM). À medida que o teor de níquel aumenta, a capacidade da bateria do material catódico ternário aumenta, enquanto o desempenho do ciclo se deteriora. A vantagem do material catódico com elevado teor de níquel é o facto de ter uma elevada capacidade específica e ser uma excelente escolha para baterias eléctricas. Embora o níquel elevado tenha a vantagem de ter uma elevada capacidade específica, conduz frequentemente a um fraco desempenho do ciclo devido a alterações estruturais e superficiais. Por conseguinte, os principais problemas dos materiais catódicos com elevado teor de níquel incluem
É difícil sintetizar materiais com uma relação estequiométrica; Elevado teor total de álcalis, fácil de reagir com o CO2 e a humidade do ar; Baixa estabilidade térmica e segurança.
Por conseguinte, é necessário efetuar investigação sobre a tecnologia de modificação dos materiais catódicos ternários com alto teor de níquel para melhorar o seu desempenho. O processo de produção de materiais catódicos ternários com alto teor de níquel inclui as seguintes etapas: mistura de litiação, envasamento, calcinação, trituração, classificação, remoção de impurezas, embalagem, etc. A diferença em relação aos materiais ternários comuns reside principalmente no facto de os requisitos em matéria-prima serem elevados, o processo ser mais complicado e a preparação ser difícil, pelo que o seu custo é relativamente mais elevado.
Embora tenha havido desenvolvimento nos últimos dois anos, a quota de mercado global dos materiais catódicos ternários com alto teor de níquel não é grande, a capacidade de produção de alto níquel está a ser libertada, o mercado está a avançar gradualmente na aplicação de materiais ternários com alto teor de níquel e a sua tecnologia está também a melhorar constantemente.
Eletrólito sólido
Entre os materiais da bateria de lítio, o eletrólito sólido em vez do eletrólito líquido é considerado um meio importante para resolver o problema de segurança da bateria de iões de lítio como energia. As baterias de iões de lítio utilizam geralmente electrólitos orgânicos inflamáveis. Quando utilizadas como baterias de energia eléctrica, a sobrecarga ou colisões acidentais podem provocar o incêndio do eletrólito e causar acidentes de segurança. A vantagem do eletrólito líquido é que pode maximizar a área de contacto entre o elétrodo e o eletrólito para reduzir a impedância eletroquímica.
No entanto, os electrólitos líquidos têm desvantagens como a baixa estabilidade termodinâmica, a fraca condutividade do Li+, a polarização da concentração, a estreita gama de temperaturas de funcionamento, a facilidade de combustão e a facilidade de fuga. Em contrapartida, as vantagens dos electrólitos sólidos nos materiais das baterias incluem boa segurança, boa maquinabilidade, estrutura simplificada da bateria, ampla gama de temperaturas de funcionamento, boa estabilidade química e eletroquímica e ciclos de vida longos. No entanto, os electrólitos sólidos também enfrentam problemas que precisam de ser resolvidos: a maior parte da eficiência de condução do Li+ é muito baixa; não podem existir de forma estável com o lítio metálico.
A impedância eletroquímica é grande devido à área de contacto limitada entre o eletrólito e os eléctrodos. Os electrólitos sólidos não são compatíveis com os materiais da bateria do cátodo e do ânodo em termos de estabilidade eletroquímica e química. Atualmente, a investigação em torno dos electrólitos sólidos está em curso, e os materiais dos electrólitos sólidos continuarão a melhorar e a fazer mais descobertas.
Materiais de ânodo de silício
Comercial ânodo de bateria de iões de lítio Os materiais de silício são principalmente grafite, mas a capacidade específica deste tipo de material de bateria é muito baixa e o desempenho de carga e descarga a alta velocidade é fraco. A capacidade específica teórica do material de ânodo de silício simples é de 4200mA-h/g, mais de dez vezes superior à da grafite natural; a tensão de funcionamento é tão baixa como 0,3V. A fim de alcançar uma maior capacidade específica das baterias de iões de lítio para satisfazer as necessidades das baterias de energia, tem-se investido muito na investigação de materiais de ânodo de silício para baterias. Atualmente, o silício é um importante foco de investigação e é considerado um dos materiais anódicos com maior potencial.
No entanto, os ânodos à base de silício têm grande capacidade e grandes alterações de volume nos materiais da bateria. Atualmente, os aditivos e outros meios são utilizados principalmente para melhorar a capacidade em gramas, a estabilidade do ciclo e a capacidade de absorção de líquidos do material do ânodo. Atualmente, durante o ciclo de carga-descarga, o material do ânodo de silício causará uma enorme mudança de volume devido à intercalação e delitização do lítio, o que levará à pulverização e descamação do material ativo, o que reduzirá o desempenho do ciclo do elétrodo.
Ao desenvolver materiais anódicos compostos de silício-carbono, é possível evitar eficazmente a pulverização do silício devido à expansão excessiva do volume durante o carregamento e o descarregamento. Além disso, o carbono como revestimento dos materiais da bateria pode estabilizar eficazmente a interface entre o material do elétrodo e o eletrólito. Por conseguinte, espera-se que os compósitos de silício-carbono substituam a grafite como ânodo para as baterias de iões de lítio de alta densidade energética da próxima geração.
Pasta de bateria de lítio
Nos materiais das baterias de lítio, o papel do aglutinante especial para baterias de lítio é ligar e manter os materiais activos do elétrodo, melhorar o contacto eletrónico entre os materiais activos do elétrodo e os agentes condutores, os materiais activos e os colectores de corrente, e estabilizar melhor a estrutura das peças do pólo. Uma vez que o volume do cátodo e do ânodo da bateria de lítio se expandirá ou encolherá durante o carregamento e o descarregamento, o aglutinante é necessário para desempenhar um certo papel de tampão.
A película de revestimento que contém o material ativo não se desprende do coletor de corrente nem gera fissuras. Embora a quantidade de aglutinante utilizada seja pequena, o seu desempenho tem uma grande influência na produção normal e no desempenho final das baterias de iões de lítio, sendo um material auxiliar muito importante na indústria das baterias.
Os aglutinantes especiais para baterias de lítio nos materiais das baterias dividem-se principalmente em duas categorias: uma é a dos aglutinantes solúveis em óleo, que utilizam solventes orgânicos como dispersantes; a outra é a dos aglutinantes à base de água, que utilizam água como dispersante. O desempenho do ligante afecta diretamente o desempenho da bateria, pelo que um ligante de bateria de lítio adequado requer baixa resistência e desempenho estável no eletrólito. Os ligantes desempenham um papel importante na melhoria do desempenho do ciclo das baterias, nas capacidades de carga e descarga rápidas e na redução da resistência interna das baterias.
Quatro grandes tendências no desenvolvimento futuro dos materiais para baterias de lítio
O progresso técnico das baterias de lítio resulta principalmente da inovação e da investigação da aplicação dos principais materiais das baterias, e a principal direção de investigação e desenvolvimento continua a centrar-se nos materiais das baterias de iões de lítio. Isto trará um novo avanço para o desempenho de segurança da bateria. A tendência de desenvolvimento dos materiais das baterias de lítio reflecte-se principalmente nos quatro aspectos principais seguintes:
Um é o material catódico, que é desenvolvido principalmente com base em materiais ternários com alto teor de níquel, através dos quais os materiais ternários com alto teor de níquel podem aumentar a densidade energética, reduzindo os custos e aumentando a estabilidade.
O segundo é o material do ânodo. Novos materiais de ânodo de alta capacidade representados por materiais compostos de silício-carbono são a tendência de desenvolvimento futuro.
O terceiro é o eletrólito, que visa principalmente o problema da fraca estabilidade a altas temperaturas dos electrólitos tradicionais, a investigação de novos electrólitos, o desenvolvimento gradual de electrólitos poliméricos e, finalmente, o desenvolvimento de electrólitos totalmente sólidos. Nos materiais para baterias, a investigação, o desenvolvimento e a aplicação de materiais de electrólitos sólidos serão de grande importância para melhorar o desempenho das baterias de lítio, reduzir os custos de produção e melhorar a estabilidade e a segurança.
A quarta é uma nova geração de ligantes à base de água. Será desenvolvida mais investigação no sentido de diferentes aglutinantes de copolímeros à base de água, no sentido de uma nova geração de aglutinantes de copolímeros multicomponentes resistentes a temperaturas altas e baixas, e no sentido de propriedades anti-envelhecimento mais excelentes. No futuro, a investigação sobre ligantes à base de água tornar-se-á uma das direcções importantes para a preparação de eléctrodos de baterias de iões de lítio em materiais de baterias de lítio.
Desenvolvimento de materiais para baterias de lítio na China e quatro tendências
Nos últimos dez anos, a China registou grandes progressos no desenvolvimento do lítio materiais para pilhasMas também é preciso ter em conta que ainda existe um certo desfasamento entre a tecnologia chinesa das baterias de lítio e a tecnologia avançada internacional. O desenvolvimento futuro das baterias de lítio centrar-se-á no avanço dos materiais das baterias e na atualização e iteração contínua dos materiais das baterias.
Como material central da cadeia da indústria de baterias de lítio, a localização destes materiais de bateria e o progresso tecnológico contínuo são de grande importância para que a tecnologia de baterias de lítio da China esteja na vanguarda do mundo.
Os materiais e as tecnologias das baterias de lítio da China estão a desenvolver-se rapidamente
O lítio é o elemento metálico com o peso atómico mais pequeno na tabela periódica dos elementos químicos, sendo também o metal com a densidade mais pequena, o equivalente eletroquímico mais pequeno e o potencial de elétrodo mais baixo. As baterias de lítio tornaram-se o mainstream atual, com as seguintes vantagens:
● Energia específica elevada. Em termos de energia específica de massa e de energia específica de volume, as baterias de lítio são mais de três vezes superiores às baterias de chumbo-ácido.
● Ciclo de vida longo. Geralmente, o número de ciclos das baterias de chumbo-ácido é de cerca de 400 a 600 vezes, o que é inferior ao das baterias de lítio.
● Ampla gama de potência de carregamento. Pode ser carregado rapidamente a 1~3C, e a eficiência de carregamento é superior a 85%, que será ainda melhorada com o progresso contínuo da tecnologia de controlo elétrico;
● Desempenho de descarga de alta velocidade. A taxa de descarga das baterias de lítio é superior à das baterias de chumbo-ácido. As baterias de lítio comuns podem atingir uma descarga de 2-3C, e existem baterias de lítio com capacidades de descarga de alta taxa.
A China também elaborou um plano científico e tecnológico abrangente para o desenvolvimento de baterias de lítio e publicou uma série de políticas para estabelecer uma boa base para o desenvolvimento de baterias de lítio. De um modo geral, as fontes globais de tecnologia das baterias de lítio são principalmente o Japão, a China e a Coreia do Sul, entre os quais o Japão tem uma vantagem nas patentes de investigação de materiais para baterias de lítio.
Centrando-se nos materiais das baterias de lítio, é necessário aumentar o investimento em materiais de bateria de alta densidade energética, de baixo custo, mais seguros e leves durante um período de tempo para realizar investigação e desenvolvimento e investigação. Fazer com que a China consiga, o mais rapidamente possível, ultrapassar a tecnologia de fabrico de materiais de bateria essenciais de toda a cadeia da indústria de baterias de lítio, formar uma produção em grande escala e ter continuamente novas iterações de materiais de bateria e iterações tecnológicas.
Desenvolvimento de vários materiais para baterias de lítio
Materiais de cátodo com alto teor de níquel
Em materiais de bateria, o ternário materiais catódicos dividem-se em lítio-aluminato de níquel-cobalto (NCA) e lítio-manganato de níquel-cobalto (NCM). À medida que o teor de níquel aumenta, a capacidade da bateria do material catódico ternário aumenta, enquanto o desempenho do ciclo se deteriora. A vantagem do material catódico com elevado teor de níquel é o facto de ter uma elevada capacidade específica e ser uma excelente escolha para baterias eléctricas. Embora o níquel elevado tenha a vantagem de ter uma elevada capacidade específica, conduz frequentemente a um fraco desempenho do ciclo devido a alterações estruturais e superficiais. Por conseguinte, os principais problemas dos materiais catódicos com elevado teor de níquel incluem
É difícil sintetizar materiais com uma relação estequiométrica;
Elevado teor total de álcalis, fácil de reagir com o CO2 e a humidade do ar;
Baixa estabilidade térmica e segurança.
Por conseguinte, é necessário efetuar investigação sobre a tecnologia de modificação dos materiais catódicos ternários com alto teor de níquel para melhorar o seu desempenho. O processo de produção de materiais catódicos ternários com alto teor de níquel inclui as seguintes etapas: mistura de litiação, envasamento, calcinação, trituração, classificação, remoção de impurezas, embalagem, etc. A diferença em relação aos materiais ternários comuns reside principalmente no facto de os requisitos em matéria-prima serem elevados, o processo ser mais complicado e a preparação ser difícil, pelo que o seu custo é relativamente mais elevado.
Embora tenha havido desenvolvimento nos últimos dois anos, a quota de mercado global dos materiais catódicos ternários com alto teor de níquel não é grande, a capacidade de produção de alto níquel está a ser libertada, o mercado está a avançar gradualmente na aplicação de materiais ternários com alto teor de níquel e a sua tecnologia está também a melhorar constantemente.
Eletrólito sólido
Entre os materiais da bateria de lítio, o eletrólito sólido em vez do eletrólito líquido é considerado um meio importante para resolver o problema de segurança da bateria de iões de lítio como energia. As baterias de iões de lítio utilizam geralmente electrólitos orgânicos inflamáveis. Quando utilizadas como baterias de energia eléctrica, a sobrecarga ou colisões acidentais podem provocar o incêndio do eletrólito e causar acidentes de segurança. A vantagem do eletrólito líquido é que pode maximizar a área de contacto entre o elétrodo e o eletrólito para reduzir a impedância eletroquímica.
No entanto, os electrólitos líquidos têm desvantagens como a baixa estabilidade termodinâmica, a fraca condutividade do Li+, a polarização da concentração, a estreita gama de temperaturas de funcionamento, a facilidade de combustão e a facilidade de fuga. Em contrapartida, as vantagens dos electrólitos sólidos nos materiais das baterias incluem boa segurança, boa maquinabilidade, estrutura simplificada da bateria, ampla gama de temperaturas de funcionamento, boa estabilidade química e eletroquímica e ciclos de vida longos. No entanto, os electrólitos sólidos também enfrentam problemas que precisam de ser resolvidos: a maior parte da eficiência de condução do Li+ é muito baixa; não podem existir de forma estável com o lítio metálico.
A impedância eletroquímica é grande devido à área de contacto limitada entre o eletrólito e os eléctrodos. Os electrólitos sólidos não são compatíveis com os materiais da bateria do cátodo e do ânodo em termos de estabilidade eletroquímica e química. Atualmente, a investigação em torno dos electrólitos sólidos está em curso, e os materiais dos electrólitos sólidos continuarão a melhorar e a fazer mais descobertas.
Materiais de ânodo de silício
Comercial ânodo de bateria de iões de lítio Os materiais de silício são principalmente grafite, mas a capacidade específica deste tipo de material de bateria é muito baixa e o desempenho de carga e descarga a alta velocidade é fraco. A capacidade específica teórica do material de ânodo de silício simples é de 4200mA-h/g, mais de dez vezes superior à da grafite natural; a tensão de funcionamento é tão baixa como 0,3V. A fim de alcançar uma maior capacidade específica das baterias de iões de lítio para satisfazer as necessidades das baterias de energia, tem-se investido muito na investigação de materiais de ânodo de silício para baterias. Atualmente, o silício é um importante foco de investigação e é considerado um dos materiais anódicos com maior potencial.
No entanto, os ânodos à base de silício têm grande capacidade e grandes alterações de volume nos materiais da bateria. Atualmente, os aditivos e outros meios são utilizados principalmente para melhorar a capacidade em gramas, a estabilidade do ciclo e a capacidade de absorção de líquidos do material do ânodo. Atualmente, durante o ciclo de carga-descarga, o material do ânodo de silício causará uma enorme mudança de volume devido à intercalação e delitização do lítio, o que levará à pulverização e descamação do material ativo, o que reduzirá o desempenho do ciclo do elétrodo.
Ao desenvolver materiais anódicos compostos de silício-carbono, é possível evitar eficazmente a pulverização do silício devido à expansão excessiva do volume durante o carregamento e o descarregamento. Além disso, o carbono como revestimento dos materiais da bateria pode estabilizar eficazmente a interface entre o material do elétrodo e o eletrólito. Por conseguinte, espera-se que os compósitos de silício-carbono substituam a grafite como ânodo para as baterias de iões de lítio de alta densidade energética da próxima geração.
Pasta de bateria de lítio
Nos materiais das baterias de lítio, o papel do aglutinante especial para baterias de lítio é ligar e manter os materiais activos do elétrodo, melhorar o contacto eletrónico entre os materiais activos do elétrodo e os agentes condutores, os materiais activos e os colectores de corrente, e estabilizar melhor a estrutura das peças do pólo. Uma vez que o volume do cátodo e do ânodo da bateria de lítio se expandirá ou encolherá durante o carregamento e o descarregamento, o aglutinante é necessário para desempenhar um certo papel de tampão.
A película de revestimento que contém o material ativo não se desprende do coletor de corrente nem gera fissuras. Embora a quantidade de aglutinante utilizada seja pequena, o seu desempenho tem uma grande influência na produção normal e no desempenho final das baterias de iões de lítio, sendo um material auxiliar muito importante na indústria das baterias.
Os aglutinantes especiais para baterias de lítio nos materiais das baterias dividem-se principalmente em duas categorias: uma é a dos aglutinantes solúveis em óleo, que utilizam solventes orgânicos como dispersantes; a outra é a dos aglutinantes à base de água, que utilizam água como dispersante. O desempenho do ligante afecta diretamente o desempenho da bateria, pelo que um ligante de bateria de lítio adequado requer baixa resistência e desempenho estável no eletrólito. Os ligantes desempenham um papel importante na melhoria do desempenho do ciclo das baterias, nas capacidades de carga e descarga rápidas e na redução da resistência interna das baterias.
Quatro grandes tendências no desenvolvimento futuro dos materiais para baterias de lítio
O progresso técnico das baterias de lítio resulta principalmente da inovação e da investigação da aplicação dos principais materiais das baterias, e a principal direção de investigação e desenvolvimento continua a centrar-se nos materiais das baterias de iões de lítio. Isto trará um novo avanço para o desempenho de segurança da bateria. A tendência de desenvolvimento dos materiais das baterias de lítio reflecte-se principalmente nos quatro aspectos principais seguintes:
Um é o material catódico, que é desenvolvido principalmente com base em materiais ternários com alto teor de níquel, através dos quais os materiais ternários com alto teor de níquel podem aumentar a densidade energética, reduzindo os custos e aumentando a estabilidade.
O segundo é o material do ânodo. Novos materiais de ânodo de alta capacidade representados por materiais compostos de silício-carbono são a tendência de desenvolvimento futuro.
O terceiro é o eletrólito, que visa principalmente o problema da fraca estabilidade a altas temperaturas dos electrólitos tradicionais, a investigação de novos electrólitos, o desenvolvimento gradual de electrólitos poliméricos e, finalmente, o desenvolvimento de electrólitos totalmente sólidos. Nos materiais para baterias, a investigação, o desenvolvimento e a aplicação de materiais de electrólitos sólidos serão de grande importância para melhorar o desempenho das baterias de lítio, reduzir os custos de produção e melhorar a estabilidade e a segurança.
A quarta é uma nova geração de ligantes à base de água. Será desenvolvida mais investigação no sentido de diferentes aglutinantes de copolímeros à base de água, no sentido de uma nova geração de aglutinantes de copolímeros multicomponentes resistentes a temperaturas altas e baixas, e no sentido de propriedades anti-envelhecimento mais excelentes. No futuro, a investigação sobre ligantes à base de água tornar-se-á uma das direcções importantes para a preparação de eléctrodos de baterias de iões de lítio em materiais de baterias de lítio.
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