Lityum-iyon pil katot ve anot lityum takviye teknolojisi

Bir lityum-iyon pilin ilk şarjı sırasında, organik elektrolit, grafit gibi anot yüzeyinde katı elektrolit faz arayüz filmi oluşturmak üzere indirgenecek ve ayrışacak, böylece lityum-iyon pilden kalıcı olarak büyük miktarda lityum tüketilecektir. katot malzemeleriBu da ilk döngüde düşük bir kulombik verimlilikle sonuçlanır ve lityum-iyon pilin kapasitesini ve enerji yoğunluğunu azaltır. Bu sorunu çözmek için ön lityasyon teknolojisi araştırılmıştır.

Elektrot malzemesinin ön lityumlama yoluyla lityum takviyesi, pilin toplam kapasitesini ve enerji yoğunluğunu artırmak için SEI filminin oluşumundan kaynaklanan geri dönüşü olmayan lityum kaybını önler.

Anot lityum takviye teknolojisi

Yaygın ön lityumlaştırma yöntemi, lityum folyo ile lityum takviyesi, lityum tozu ile lityum takviyesi gibi anot lityum takviyesidir ve şu anda geliştirmeye odaklanan ön lityumlaştırma süreçleridir. Ayrıca, ön lityumlaştırma gerçekleştirmek için lityum silisit tozu ve elektrolitik lityum tuzlu su çözeltisi kullanan teknolojiler de vardır.

Lityum folyo ile lityum takviyesi

Lityum folyo ile lityum takviyesi, kendi kendine deşarj mekanizmasını kullanan bir lityum takviyesi tekniğidir. Lityum metalin potansiyeli tüm elektrot malzemeleri arasında en düşüktür ve potansiyel fark nedeniyle lityum iyon pil anotu malzeme lityum metal folyo ile temas halindeyken, elektronlar kendiliğinden anoda doğru hareket eder ve Li+ 'nin anoda gömülmesine eşlik eder.

Paslanmaz çelik bir alt tabaka üzerinde büyütülen silikon nanotellerden oluşan anot, damla damla elektrolit eklenerek ve ardından doğrudan lityum folyo ile temas ettirilerek lityum takviyesine tabi tutulmuştur. Lityum takviyeli anot üzerinde yarım hücre testleri gerçekleştirilmiş ve şunlar bulunmuştur: lityum takviyesi olmadan açık devre voltajı 1,55V ve lityum takviyeli anotta ilk 0,1C deşarj 1. 55 V açık devre voltajına ve 1. 55 V gömülü lityuma sahipti.55 V ve ilk 0.1 C deşarj için 0.01-1.00 V'de 3800 mAh/g gömülü lityum kapasitesi; lityum takviyeli silikon nanotel ilk kez 0.25 V açık devre voltajına ve 1600 mAh/g gömülü lityum kapasitesine sahipti.

Kalay-karbon anot, elektrolit emdirilmiş lityum folyo ile 180 dakika boyunca doğrudan temas ettirilmiş ve lityum takviyesi yapılmıştır. Lityum takviyesi yarım hücre ile test edilmiş ve kalay-karbonun tersinmez özgül kapasitesi lityum takviyesinden sonra 680 mAh/g'dan 65 mAh/g'a düşmüştür. anot tam hücre olarak oluşturulmuş ve 1.0C çokluk 3.1 ila 4.8'de test edilmiştir V'de test edilen ICE 100%'ye yakındır ve döngü kararlıdır ve çokluk performansı iyidir.

Anot ön lityasyonu lityum folyo ile doğrudan temas yoluyla elde edilebilse de, ön lityasyon derecesi kolay ve hassas bir şekilde kontrol edilememektedir. Yetersiz lityumlaşma ICE'yi yeterince iyileştirmez; aşırı lityum takviyesi ise anot yüzeyinde metalik lityum kaplama oluşumuna yol açabilir.

Araştırmacılar ve arkadaşları, lityum folyo aracılığıyla lityum takviyesinin güvenliğini artırmış ve anodun işlenmesi için yeterli olan 30-60 dakika boyunca ortam havasında stabil olabilen aktif malzeme/polimer/lityum metalden oluşan üç katmanlı bir yapı anodu tasarlamıştır. Üç katman şunlardır: bakır folyo üzerine elektrokimyasal olarak biriktirilmiş bir lityum metal katmanı, lityum katmanı üzerine kaplanmış koruyucu bir polimetilmetakrilat katmanı ve bir aktif malzeme katmanı.

Stabilize lityum metal tozu

Lityum tozu ile lityum takviyesi, 3600mAh/g'ye kadar spesifik kapasiteye ve yüzeyde kuru bir ortamda kullanılabilen 2% ila 5%'lik ince bir lityum karbonat tabakasına sahip SLMP'yi geliştiren FMC tarafından önerilmiştir. SLMP'yi anot ön lityumizasyonuna uygulamanın iki ana yolu vardır: hamurlaştırma işlemi sırasında eklemek veya doğrudan anot tabakalarının yüzeyine eklemek.

Geleneksel anot bulamacı PVDF/NMP veya SBR+CMC/deiyonize su sistemini kullanır, ancak SLMP polar çözücülerle uyumlu değildir ve yalnızca hekzan, toluen ve diğer polar olmayan çözücüler içinde dağılabilir, bu nedenle geleneksel bulamaç işlemine doğrudan eklenemez. SBR-PVDF/toluen sistemi ile SLMP doğrudan grafit elektrot bulamacına karıştırılabilir. Anodun SLMP ile ön lityasyonundan sonra, hücrenin ICE'si 0,01 ila 1,00V ve 0,05C'de 90,6%'den 96,2%'ye yükselmiştir.

SLMP'yi doğrudan kurutulmuş anot yüzeyine yüklemek, hamurlaştırma işlemi sırasında eklemekten daha basit ve kolaydır. SLMP, silika-karbon nanotüp anot yüzeyine 3% kütle fraksiyonlu SLMP/toluen çözeltisi damlatılarak ve ardından toluen çözücüsü buharlaştıktan sonra preslenip aktive edilerek silika-karbon nanotüp anodu ön litikleştirmek için kullanılmıştır. Ön lityasyondan sonra, anodun ilk tersinmez kapasitesi 20%'den 40%'ye düşmüştür.

Lityum silisit tozu

Lityum silisit nanopowder'ın küçük boyutu anotta dağılım için daha elverişlidir. Buna ek olarak, zaten şişmiş bir durumdadır ve döngü sırasındaki hacim değişikliği tüm elektrotun yapısını etkilemez. Şu anda, lityum silisit tozunun lityum takviyesi yolunda kullanılan katkı maddeleri hakkında çok az çalışma vardır ve sadece birkaç araştırmacı lityum takviyesi performansını ve lityum silisit tozunun stabilite iyileştirmesini incelemiştir.

Yarım hücre sistemi 0.05 C'de 0.01 ila 1.00 V'ta şarj ve deşarj edilmiştir. Silika anodun ICE'si 15% lityum silisit tozu ilavesiyle 76%'den 94%'ye; ara faz karbon mikrokürelerin ICE'si 9% lityum silisit tozu ilavesiyle 75%'den 99%'ye ve grafit anodun ICE'si 7% lityum silisit tozu ilavesiyle 87%'den 99%'ye yükselmiştir.

Sulu lityum tuzlu su çözeltisinin elektrolizi ile lityum takviyesi

Lityum takviyesi ister lityum folyo, ister SLMP veya lityum silisit tozu kullanılarak yapılsın, lityum metali kullanımı söz konusudur. Lityum metali pahalıdır, reaktiftir, kullanımı zordur ve koruma için depolama ve nakliye için yüksek maliyetler gerektirir. Lityum takviyesi işlemi lityum metali içermiyorsa, maliyet tasarrufu sağlayabilir ve güvenlik performansını artırabilir. Silikon, elektrolitik bir hücrede sulu bir Li2SO4 çözeltisi elektroliz edilerek lityum takviyesi yapılabilir ve kurban elektrot Li2SO4'e daldırılmış bir bakır teldir.

Katot lityum takviye teknolojisi

Tipik bir katot lityum takviyesi, katot sentez sürecine eklenen az miktarda yüksek kapasiteli malzemedir ve şarj işlemi sırasında Li+, ilk şarj ve deşarj sırasında geri dönüşü olmayan kapasite kaybını tamamlamak için yüksek kapasiteli malzemeden çıkarılır. Şu anda, katot lityum takviye katkı maddeleri olarak kullanılan ana malzemeler şunlardır: lityum bakımından zengin bileşikler, dönüşüm reaksiyonlarına dayalı nanokompozitler ve ikili lityum bileşikleri.

Lityum bakımından zengin bileşikler

Li-zengin malzeme Li1+xNi0.5Mn1.5O4, Si-C|LiNi0.5Mn1.5O4 tam hücrenin geri dönüşümsüz kapasite kaybını telafi etmek için kullanılmıştır. Saf LiNi0.5Mn1.5O4 katot kullanan hücrelerin kapasitesi sadece 51% iken, 3.00 ila 4.78 V'ta 100 döngü için 0.33C ile hibrit katot kullanan hücrelerin kapasite koruması 75%'dir. Li2NiO2 katot lityum katkısı olarak da kullanılabilir, ancak havada daha az kararlıdır. Li2NiO2, izopropanolik alüminyum kullanılarak modifiye edilebilir ve havada stabil olan alümina ile kaplanmış Li2NiO2 malzemesi mükemmel lityum takviyesi sonuçları ile sentezlenmiştir.

Dönüşüm reaksiyonlarına dayalı nanokompozitler

Lityum bakımından zengin bileşiklerin lityum takviyesi katkısı olarak etkinliğine rağmen, ilk lityum takviyesi etkisi hala düşük spesifik kapasite ile sınırlıdır. Dönüşüm reaksiyonuna dayalı nanokompozitler, büyük bir şarj/deşarj voltajı histerezisinin varlığı nedeniyle pilin ilk şarjı sırasında büyük miktarda lityum katkısı sağlayabilirken, lityum gömülü reaksiyon deşarj işlemi sırasında gerçekleşemez.

Sentezlenen nano-Co/lityum oksit kompozitleri 4.1 ila 2.5V'ta 50mA/g'da çevrildiğinde, ilk şarjın özgül kapasitesi 619mAh/g'a ulaştı ve deşarj özgül kapasitesi sadece 10mAh/g idi; ortam havasına 8 saat maruz kaldıktan sonra, lityumdan arındırma özgül kapasitesi ilk değerden sadece 51mAh/g daha küçüktü ve 2. yerleştirmeden sonra, lityumdan arındırma özgül kapasitesi hala 418mAh/g idi, bu da ticari pillerin üretim süreciyle uyumlu, iyi bir Çevresel stabiliteye sahipti.

Lityum florür, yüksek lityum içeriği ve iyi stabilitesi nedeniyle potansiyel bir katot lityum takviye malzemesidir. Dönüşüm reaksiyonu ile oluşturulan M/LiF nanomalzemeleri düşük LiF iletkenliği ve iyonik iletkenlik, yüksek elektrokimyasal ayrışma potansiyeli ve zararlı ayrışma ürünleri sorunlarının üstesinden gelebilir ve lityum florürü mükemmel bir katot lityum takviye katkısı haline getirir. Lityum sülfürün teorik kapasitesi 1166 mAh/g'a ulaşmaktadır, ancak lityum takviye katkı maddesi olarak kullanıldığında elektrolitle uyumluluk, yalıtım ve zayıf çevresel kararlılık gibi çözülmesi gereken birçok sorun vardır.

Lityum açısından zengin bileşiklere göre daha yüksek lityum takviye kapasitesine rağmen, dönüşüm reaksiyonlarına dayanan nanokompozitler, ilk lityum takviyesinden sonra artık inaktif metal oksitlere, florürlere ve sülfürlere sahip olabilir ve bu da pilin enerji yoğunluğunu azaltır. Konuyla ilgili daha fazla bilgi için lütfen florür iyon pil makale.

İkili lityum bileşikleri

İkili lityum bileşiklerinin teorik özgül kapasiteleri çok daha yüksektir. Li2O2, Li2O ve Li3N sırasıyla 1168 mAh/g, 1797 mAh/g ve 2309 mAh/g teorik özgül kapasitelere sahiptir ve benzer lityum takviyesi etkileri sadece küçük eklemelerle elde edilebilir. Teorik olarak, lityum takviyesinden sonra bu malzemelerin kalıntıları, bataryada SEI filminin oluşumu sırasında dışarı atılabilen O2, N2 vb.dir.

Ticari olarak temin edilebilen Li3N, 1-5 μm partikül boyutunda toz haline getirilmiş ve lityum takviyesi olarak kullanılmıştır. 1% ve 2% Li3N eklenmiş LiCoO2 elektrotların ilk şarj özgül kapasiteleri, 0,1C'de 3,0-4,2V'da yarım hücre sistemi altında sırasıyla 167,6 mAh/g ve 178,4 mAh/g olup, saf LiCoO2 18,0 mAh/g ve 28,7 mAh/g'dan daha yüksektir.

Ticari Li2O2, grafit anodun ilk şarjı sırasında lityum kaybını telafi etmek için NCM ile karıştırılmıştır. Hibrit elektrottaki NCM, aktif malzeme ve katalizör olarak ikili rol oynamaktadır. Li2O2'nin ayrışmasını verimli bir şekilde katalize etmek için katoda 6 saat boyunca 1% bilyalı öğütme eklenerek elde edilen NCM. tam hücre, grafit|NCM tam hücresinden 20,5% daha yüksek olan 165,4 mAh/g'lık 0,3C tersinir özgül kapasite ile 2,75 ila 4,60 V arasında şarj edildi ve boşaltıldı.

Testler, Li2O2'nin ayrışmasından salınan oksijenin tam hücredeki sınırlı Li+'yı tükettiğini ve Li2O2 eklenmiş tam hücrede önemli bir kapasite düşüşüne neden olduğunu, ancak gaz dışarı atıldıktan sonra kapasitenin geri kazanılabileceğini göstermektedir. Gerçek üretim sürecinde pilin ilk şarjı açık bir sistemde gerçekleştirilir ve SEI film oluşumundan ve bazı yan reaksiyonlardan kaynaklanan gazlar mühürlemeden önce dışarı atılır, böylece O2 salınımının etkisi azaltılır.

Özet

İki lityum takviyesi yöntemi karşılaştırıldığında, anot lityum takviyesinde kullanılan lityum takviyesi reaktifleri (lityum folyo, lityum tozu ve lityum silisit tozu) yüksek kapasiteye sahiptir, ancak işlem karmaşıktır ve yüksek çevresel gereksinimler gerektirir; katot lityum takviyesinde katoda lityum takviyesi katkısı ekleyerek güvenli ve kararlıdır ve mevcut pil üretim süreciyle uyumludur.

Anot lityum takviyesi teknolojisine ilişkin gelecekteki araştırmalar, batarya üretim sürecindeki istikrarını iyileştirmeye, endüstriyel üretim ve basit süreçlerle uyumlu teknik çözümler geliştirmeye odaklanmalıdır; katot lityum takviyesi, lityum takviyesi kapasitesinin geliştirilmesine, az miktarda katkı sisteminden sonra az miktarda lityum takviyesi kalıntısının kullanılmasına odaklanmalıdır.

Daha fazla ilgili bilgi edinmek istiyorsanız, aşağıdaki adrese başvurabilirsiniz en iyi 5 lityum takviyesi üreticisi Çin'de daha önce derlediğim.