Çin lityum pil malzemeleri gelişimi ve dört trend

Çin'in lityum pil malzemeleri ve teknolojileri hızla gelişiyor

Lityum, kimyasal elementlerin periyodik tablosunda en küçük atom ağırlığına sahip metal elementtir ve aynı zamanda en küçük yoğunluğa, en küçük elektrokimyasal eşdeğere ve en düşük elektrot potansiyeline sahip metaldir. Lityum piller, aşağıdaki avantajlarıyla günümüzde ana akım haline gelmiştir:

● Yüksek özgül enerji. Kütle özgül enerjisi ve hacim özgül enerjisi açısından, lityum aküler kurşun-asit akülerden üç kat daha yüksektir.

● Uzun çevrim ömrü. Genel olarak, kurşun-asit akülerin döngü sayısı yaklaşık 400 ila 600 kezdir ve bu sayı lityum akülerinkinden daha düşüktür.

● Geniş şarj güç aralığı. 1~3C'de hızlı şarj edilebilir ve şarj verimliliği 85%'nin üzerindedir, bu da elektrik kontrol teknolojisinin sürekli ilerlemesiyle daha da geliştirilecektir;

● Yüksek oranda deşarj performansı. Lityum akülerin deşarj hızı kurşun-asit akülerden daha yüksektir. Sıradan lityum piller 2-3C deşarj sağlayabilir ve yüksek oranda deşarj kapasitesine sahip lityum piller vardır.

Çin ayrıca lityum pillerin geliştirilmesi için kapsamlı bir bilimsel ve teknolojik plan yapmış ve lityum pillerin geliştirilmesi için iyi bir temel oluşturmak üzere bir dizi politika yayınlamıştır. Genel olarak, lityum pillerin küresel teknoloji kaynakları esas olarak Japonya, Çin ve Güney Kore'dir ve bunlar arasında Japonya, lityum pil malzemelerinin araştırma patentlerinde bir avantaja sahiptir.

Lityum pil malzemelerine odaklanarak, araştırma ve geliştirme ve araştırma yapmak için bir süre yüksek enerji yoğunluklu, düşük maliyetli, daha güvenli ve hafif pil malzemelerine yapılan yatırımın artırılması gerekmektedir. Çin'in mümkün olan en kısa sürede tüm lityum pil endüstrisi zincirinin temel pil malzemeleri üretim teknolojisini aşmasını, büyük ölçekli üretim oluşturmasını ve sürekli olarak yeni pil malzemeleri yinelemelerine ve teknoloji yinelemelerine sahip olmasını sağlayın.

Çeşitli lityum pil malzemelerinin geliştirilmesi

Yüksek nikel katot malzemeleri

Batarya malzemelerinde, üçlü katot malzemeleri nikel-kobalt-alüminat lityum (NCA) ve nikel-kobalt lityum manganat (NCM) olarak ikiye ayrılır. Nikel içeriği arttıkça, üçlü katot malzemesinin pil kapasitesi artarken, döngü performansı kötüleşir. Yüksek nikelli katot malzemesinin avantajı, yüksek spesifik kapasiteye sahip olması ve güç bataryaları için mükemmel bir seçim olmasıdır. Yüksek nikel, yüksek özgül kapasite avantajına sahip olmasına rağmen, yapısal ve yüzey değişiklikleri nedeniyle genellikle düşük çevrim performansına yol açar. Buna bağlı olarak, yüksek nikelli katot malzemelerinin başlıca sorunları şunlardır:

Stokiyometrik oranda malzeme sentezlemek zordur;
Yüksek toplam alkali içeriği, havadaki CO2 ve nem ile reaksiyona girmesi kolaydır;
Zayıf termal kararlılık ve güvenlik.

Bu nedenle, performanslarını artırmak için yüksek nikelli üçlü katot malzemelerinin modifikasyon teknolojisi üzerinde araştırma yapılması gerekmektedir. Yüksek nikelli üçlü katot malzemelerinin üretim süreci şu adımları içerir: litrasyon karıştırma, çömlekçilik, kireçleme, ezme, sınıflandırma, safsızlık giderme, paketleme vb. Sıradan üçlü malzemelerden farkı, esas olarak hammadde gereksinimlerinin yüksek olması, sürecin daha karmaşık olması ve hazırlığın zor olmasıdır, bu nedenle maliyeti nispeten daha yüksektir.

Son iki yılda gelişme olmasına rağmen, yüksek nikelli üçlü katot malzemelerinin genel pazar payı büyük değil, yüksek nikelli üretim kapasitesi serbest bırakılıyor, pazar yavaş yavaş yüksek nikelli üçlü malzemelerin uygulanmasını ilerletiyor ve teknolojisi de sürekli gelişiyor.

Katı elektrolit

Lityum pil malzemeleri arasında, sıvı elektrolit yerine katı elektrolit, lityum-iyon pilin güç olarak güvenlik sorununu çözmek için önemli bir araç olarak kabul edilmektedir. Lityum-iyon piller genellikle yanıcı organik elektrolitler kullanır. Elektrik güç pilleri olarak kullanıldığında, aşırı şarj veya kazara çarpışmalar elektrolitin alev almasına ve güvenlik kazalarına neden olabilir. Sıvı elektrolitin avantajı, elektrokimyasal empedansı azaltmak için elektrot ile elektrolit arasındaki temas alanını en üst düzeye çıkarabilmesidir.

Ancak sıvı elektrolitlerin düşük termodinamik kararlılık, zayıf Li+ iletkenliği, konsantrasyon polarizasyonu, dar çalışma sıcaklığı aralığı, kolay yanma ve kolay sızıntı gibi dezavantajları vardır. Buna karşılık, katı elektrolitlerin batarya malzemelerindeki avantajları arasında iyi güvenlik, iyi işlenebilirlik, basitleştirilmiş batarya yapısı, geniş çalışma sıcaklığı aralığı, iyi kimyasal ve elektrokimyasal kararlılık ve uzun çevrim ömrü bulunmaktadır. Bununla birlikte, katı elektrolitler de çözülmesi gereken sorunlarla karşı karşıyadır: çoğu Li+ iletim verimliliği çok düşüktür; metalik lityum ile kararlı bir şekilde var olamazlar.

Elektrolit ve elektrotlar arasındaki sınırlı temas alanı nedeniyle elektrokimyasal empedans büyüktür. Katı elektrolitler, elektrokimyasal ve kimyasal kararlılık açısından katot ve anot pil malzemeleriyle uyumlu değildir. Şu anda katı elektrolitlerle ilgili araştırmalar devam etmektedir ve katı elektrolit malzemeleri gelişmeye ve daha fazla atılım yapmaya devam edecektir.

Silikon anot malzemeleri

Ticari lityum iyon pil anotu malzemeler esas olarak grafittir, ancak bu tür pil malzemesinin özgül kapasitesi çok düşüktür ve yüksek oranlı şarj ve deşarj performansı zayıftır. Tek silikon anot malzemesinin teorik özgül kapasitesi 4200mA-h/g olup, doğal grafitin on katından fazladır; çalışma voltajı 0,3V kadar düşüktür. Güç pillerinin ihtiyaçlarını karşılamak için daha yüksek bir lityum-iyon pil kapasitesi elde etmek amacıyla, silikon anot pil malzemelerine çok fazla araştırma yapılmıştır. Silikon bazlı, şu anda önemli bir araştırma noktasıdır ve en potansiyel anot malzemelerinden biri olarak kabul edilmektedir.

Bununla birlikte, silikon bazlı anotlar büyük kapasiteye ve batarya malzemelerinde büyük hacim değişikliklerine sahiptir. Şu anda, katkı maddeleri ve diğer araçlar esas olarak anot malzemesinin gram kapasitesini, döngü stabilitesini ve sıvı emme kapasitesini geliştirmek için kullanılmaktadır. Şu anda, şarj-deşarj döngüsü sırasında, silikon anot malzemesi, lityum interkalasyonu ve delitasyonu nedeniyle büyük bir hacim değişikliğine neden olacak, bu da aktif malzemenin toz haline gelmesine ve soyulmasına yol açacak ve bu da elektrotun döngü performansını azaltacaktır.

Silikon-karbon kompozit anot malzemeleri geliştirerek, şarj ve deşarj sırasında aşırı hacim genişlemesi nedeniyle silikonun toz haline gelmesini etkili bir şekilde önlemek mümkündür. Buna ek olarak, kaplama pil malzemeleri olarak karbon, elektrot malzemesi ile elektrolit arasındaki arayüzü etkili bir şekilde stabilize edebilir. Bu nedenle, silikon-karbon kompozitlerinin yeni nesil yüksek enerji yoğunluklu lityum-iyon piller için anot olarak grafitin yerini alması beklenmektedir.

Lityum pil bağlayıcı

Lityum pil malzemelerinde, lityum piller için özel bağlayıcının rolü, elektrot aktif malzemelerini bağlamak ve korumak, elektrot aktif malzemeleri ile iletken maddeler, aktif malzemeler ve akım toplayıcılar arasındaki elektronik teması artırmak ve kutup parçalarının yapısını daha iyi stabilize etmektir. Lityum pilin katot ve anot hacmi şarj ve deşarj sırasında genişleyeceğinden veya küçüleceğinden, bağlayıcının belirli bir tamponlama rolü oynaması gerekir.

Aktif malzemeyi içeren kaplama filmi akım toplayıcıdan ayrılmaz veya çatlak oluşturmaz. Kullanılan bağlayıcı miktarı az olmasına rağmen, bağlayıcı performansı lityum-iyon pillerin normal üretimi ve nihai performansı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir ve pil endüstrisinde çok önemli bir yardımcı pil malzemesidir.

Batarya malzemelerindeki lityum batarya özel bağlayıcıları temel olarak iki kategoriye ayrılır: biri dağıtıcı olarak organik çözücüler kullanan yağda çözünen bağlayıcılar; diğeri dağıtıcı olarak su kullanan su bazlı bağlayıcılardır. Bağlayıcının performansı pilin performansını doğrudan etkiler, bu nedenle uygun bir lityum pil bağlayıcısı elektrolitte düşük direnç ve istikrarlı performans gerektirir. Bağlayıcılar, pillerin döngü performansını, hızlı şarj ve deşarj yeteneklerini geliştirmede ve pillerin iç direncini azaltmada önemli bir rol oynar.

Lityum pil malzemelerinin gelecekteki gelişiminde dört ana trend

Lityum pillerin teknik ilerlemesi esas olarak temel pil malzemelerinin yenilik ve uygulama araştırmalarından kaynaklanmaktadır ve ana araştırma ve geliştirme yönü hala lityum-iyon pil malzemelerine odaklanmaktadır. Bu, bataryanın güvenlik performansına yeni bir atılım getirecektir. Lityum pil malzemelerinin gelişim trendi temel olarak aşağıdaki dört ana hususta yansıtılmaktadır:

Bunlardan biri, esas olarak yüksek-nikel üçlü malzemelere dayalı olarak geliştirilen katot malzemesidir; bu sayede yüksek-nikel üçlü malzemeler enerji yoğunluğunu artırırken maliyetleri düşürür ve kararlılığı artırır.

İkincisi ise anot malzemesidir. Silikon-karbon kompozit malzemelerle temsil edilen yeni yüksek kapasiteli anot malzemeleri gelecekteki gelişim trendidir.

Üçüncüsü, esas olarak geleneksel elektrolitlerin zayıf yüksek sıcaklık kararlılığı sorununu hedefleyen, yeni elektrolitleri araştıran, kademeli olarak polimer elektrolitlere doğru gelişen ve son olarak tamamen katı elektrolitlere doğru gelişen elektrolittir. Batarya malzemelerinde, katı elektrolit malzemelerin araştırılması, geliştirilmesi ve uygulanması, lityum bataryaların performansını artırmak, üretim maliyetlerini düşürmek ve kararlılığı ve güvenliği artırmak için büyük önem taşıyacaktır.

Dördüncüsü ise yeni nesil su bazlı bağlayıcılardır. Farklı su bazlı kopolimer bağlayıcılar yönünde, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanıklı yeni nesil çok bileşenli kopolimer bağlayıcılar yönünde ve daha mükemmel yaşlanma karşıtı özellikler yönünde daha fazla araştırma geliştirilecektir. Gelecekte, su bazlı bağlayıcılar üzerine yapılan araştırmalar, lityum pil malzemelerinde lityum-iyon pil elektrotlarının hazırlanması için önemli yönlerden biri haline gelecektir.