Розвиток матеріалів для літієвих батарей у Китаї та чотири тенденції

Китайські матеріали та технології для літієвих батарей швидко розвиваються

Літій - металевий елемент з найменшою атомною вагою в періодичній таблиці хімічних елементів, а також метал з найменшою щільністю, найменшим електрохімічним еквівалентом і найнижчим електродним потенціалом. Сьогодні літієві батареї стали мейнстрімом, завдяки наступним перевагам:

● Висока питома енергія. За показниками питомої енергії маси та питомої енергії об'єму літієві батареї більш ніж втричі перевищують свинцево-кислотні батареї.

● Тривалий термін служби. Як правило, кількість циклів свинцево-кислотних акумуляторів становить від 400 до 600 разів, що нижче, ніж у літієвих батарей.

● Широкий діапазон потужності зарядки. Він може швидко заряджатися при температурі 1~3C, а ефективність заряджання перевищує 85%, яка буде ще більше покращуватися з постійним прогресом технології електричного управління;

● Висока продуктивність розряду. Швидкість розряду літієвих батарей вища, ніж у свинцево-кислотних. Звичайні літієві батареї можуть розряджатися до 2-3°C, а є літієві батареї з високою швидкістю розряду.

Китай також розробив комплексний науково-технічний план розвитку літієвих батарей і видав низку стратегій, щоб закласти міцний фундамент для розвитку літієвих батарей. Загалом, світовими джерелами технологій літієвих батарей є переважно Японія, Китай та Південна Корея, серед яких Японія має перевагу в патентах на дослідження матеріалів для літієвих батарей.

Зосередившись на матеріалах для літієвих батарей, необхідно збільшити інвестиції в матеріали для акумуляторів з високою щільністю енергії, недорогі, безпечні та легкі матеріали для проведення досліджень і розробок та досліджень. Змусьте Китай якомога швидше прорватися через ключову технологію виробництва матеріалів для акумуляторів у всьому ланцюжку промисловості літієвих батарей, сформувати великомасштабне виробництво та постійно впроваджувати нові ітерації матеріалів для акумуляторів та технологічні ітерації.

Розробка декількох матеріалів для літієвих батарей

Катодні матеріали з високим вмістом нікелю

У матеріалах акумуляторів потрійний катодні матеріали поділяються на нікель-кобальт-алюмінат-літій (NCA) і нікель-кобальт-літій-манганат (NCM). Зі збільшенням вмісту нікелю ємність акумулятора з потрійним катодом зростає, а продуктивність циклу погіршується. Перевага катодного матеріалу з високим вмістом нікелю полягає в тому, що він має високу питому ємність і є чудовим вибором для силових батарей. Хоча високий вміст нікелю має перевагу у вигляді високої питомої ємності, він часто призводить до погіршення продуктивності циклу через структурні та поверхневі зміни. Відповідно, до основних проблем високонікелевих катодних матеріалів відносяться

Важко синтезувати матеріали зі стехіометричним співвідношенням;
Високий загальний вміст лугу, легко вступає в реакцію з CO2 і вологою в повітрі;
Погана термічна стабільність і безпека.

Тому необхідно проводити дослідження технології модифікування високонікелевих потрійних катодних матеріалів для покращення їх експлуатаційних характеристик. Процес виробництва високонікелевих потрійних катодних матеріалів включає наступні етапи: літіювальне змішування, заливку, прожарювання, дроблення, сортування, видалення домішок, пакування тощо. Відмінність від звичайних потрійних матеріалів полягає головним чином у тому, що вимоги до сировини високі, процес складніший, а підготовка складна, тому його вартість відносно вища.

Хоча за останні два роки спостерігається розвиток, загальна частка ринку високо-нікелевих потрійних катодних матеріалів невелика, вивільняються виробничі потужності з високим вмістом нікелю, ринок поступово просувається у застосуванні високо-нікелевих потрійних матеріалів, а його технологія також постійно вдосконалюється.

Твердий електроліт

Серед матеріалів літієвих батарей твердий електроліт замість рідкого електроліту вважається важливим засобом вирішення проблеми безпеки літій-іонної батареї як джерела живлення. Літій-іонні акумулятори зазвичай використовують легкозаймисті органічні електроліти. При використанні в якості електричних батарей перезарядка або випадкові зіткнення можуть призвести до загоряння електроліту і спричинити нещасні випадки з безпекою. Перевага рідкого електроліту полягає в тому, що він може максимізувати площу контакту між електродом і електролітом для зменшення електрохімічного імпедансу.

Однак рідкі електроліти мають такі недоліки, як низька термодинамічна стабільність, погана провідність Li+, концентраційна поляризація, вузький діапазон робочих температур, легке займання і витікання. На противагу цьому, переваги твердих електролітів у матеріалах для акумуляторів включають високу безпеку, хорошу оброблюваність, спрощену структуру батареї, широкий діапазон робочих температур, хорошу хімічну та електрохімічну стабільність і тривалий термін служби. Однак тверді електроліти також стикаються з проблемами, які необхідно вирішувати: ефективність провідності більшості Li+ дуже низька; вони не можуть стабільно існувати з металевим літієм.

Електрохімічний опір великий через обмежену площу контакту між електролітом і електродами. Тверді електроліти не сумісні з матеріалами катодів і анодів акумуляторів з точки зору електрохімічної та хімічної стабільності. В даний час дослідження навколо твердих електролітів тривають, і матеріали твердих електролітів будуть продовжувати вдосконалюватися і робити більше проривів.

Кремнієві анодні матеріали

Рекламний ролик анод літій-іонного акумулятора матеріалами в основному є графіт, але питома ємність цього типу акумуляторів дуже низька, а швидкісні характеристики заряду і розряду - погані. Теоретична питома ємність одного кремнієвого анодного матеріалу становить 4200 мА-год/г, що більш ніж у десять разів більше, ніж у природного графіту; робоча напруга становить всього 0,3 В. Для того, щоб досягти більшої питомої ємності літій-іонних акумуляторів для задоволення потреб силових батарей, багато досліджень було інвестовано в матеріали кремнієвих анодних батарей. Кремній на основі є важливою дослідницькою точкою в даний час і вважається одним з найбільш потенційних анодних матеріалів.

Однак аноди на основі кремнію мають велику ємність і значні об'ємні зміни в матеріалах батареї. В даний час добавки та інші засоби в основному використовуються для поліпшення грам-ємності, стабільності циклу і здатності поглинання рідини анодного матеріалу. В даний час під час циклу заряду-розряду кремнієвий анодний матеріал спричинить величезну зміну об'єму через інтеркаляцію літію та делітіацію, що призведе до подрібнення та відшарування активного матеріалу, що знизить продуктивність циклу електрода.

Розробляючи кремній-вуглецеві композитні анодні матеріали, можна ефективно уникнути розпилення кремнію через надмірне об'ємне розширення під час заряджання та розряджання. Крім того, вуглець в якості покриття акумуляторних матеріалів може ефективно стабілізувати межу розділу між матеріалом електрода і електролітом. Тому очікується, що кремній-вуглецеві композити замінять графіт в якості анода для літій-іонних акумуляторів наступного покоління з високою щільністю енергії.

Зв'язуюче для літієвих батарей

У матеріалах літієвих батарей роль спеціального сполучного для літієвих батарей полягає у зв'язуванні та підтримці електродних активних матеріалів, посиленні електронного контакту між електродними активними матеріалами та провідними агентами, активними матеріалами та струмоприймачами та кращій стабілізації структури полюсних шматків. Оскільки об'єм катода і анода літієвої батареї буде розширюватися або зменшуватися під час зарядки і розрядки, сполучна речовина повинна відігравати певну буферну роль.

Покривна плівка, що містить активний матеріал, не відшаровується від струмоприймача і не утворює тріщин. Незважаючи на те, що кількість сполучного матеріалу невелика, його характеристики мають великий вплив на нормальне виробництво і кінцеву продуктивність літій-іонних акумуляторів, і він є дуже важливим допоміжним матеріалом для акумуляторів в акумуляторній промисловості.

Спеціальні сполучні речовини для літієвих батарей в матеріалах для акумуляторів в основному поділяються на дві категорії: одна - це олійні сполучні речовини, що використовують органічні розчинники в якості диспергаторів; інша - сполучні речовини на водній основі, що використовують воду в якості диспергаторів. Ефективність зв'язуючого безпосередньо впливає на продуктивність акумулятора, тому відповідний зв'язуючий для літієвих батарей повинен мати низький опір і стабільну роботу в електроліті. Зв'язуючі речовини відіграють важливу роль у підвищенні продуктивності циклу акумуляторів, можливості швидкого заряду і розряду, а також у зменшенні внутрішнього опору акумуляторів.

Чотири основні тенденції майбутнього розвитку матеріалів для літієвих батарей

Технічний прогрес літієвих батарей в основному відбувається завдяки інноваціям та прикладним дослідженням ключових матеріалів для акумуляторів, а основний напрямок досліджень і розробок все ще зосереджений на матеріалах для літій-іонних батарей. Це призведе до нового прориву в показниках безпеки акумулятора. Тенденція розвитку матеріалів літієвих батарей в основному відображається в наступних чотирьох основних аспектах:

Одним з них є катодний матеріал, який в основному розробляється на основі високонікелевих потрійних матеріалів, завдяки чому високонікелеві потрійні матеріали можуть підвищити щільність енергії при одночасному зниженні витрат і підвищенні стабільності.

Другий - матеріал анода. Нові високопродуктивні анодні матеріали, представлені кремній-вуглецевими композитними матеріалами, є майбутнім трендом розвитку.

Третій - електроліт, який в основному спрямований на проблему поганої високотемпературної стабільності традиційних електролітів, дослідження нових електролітів, поступовий розвиток в напрямку полімерних електролітів і, нарешті, розвиток в напрямку повністю твердих електролітів. У матеріалах для акумуляторів дослідження, розробка і застосування твердих електролітних матеріалів матимуть велике значення для підвищення продуктивності літієвих батарей, зниження виробничих витрат, підвищення стабільності і безпеки.

Четвертий - нове покоління в'яжучих на водній основі. Подальші дослідження будуть розвиватися в напрямку різних сополімерних зв'язуючих на водній основі, в напрямку нового покоління багатокомпонентних сополімерних зв'язуючих, стійких до високих і низьких температур, і в напрямку більш чудових антивікових властивостей. У майбутньому дослідження зв'язуючих на водній основі стануть одним з важливих напрямків для підготовки електродів літій-іонних акумуляторів в матеріалах для літієвих батарей.