Classificação do material do ânodo da bateria de íons de lítio

Íon de lítio Classificação do material do ânodo da bateria

Como uma das chaves materiais para baterias de íon de lítio, materiais de eletrodo negativo precisam atender múltiplas condições.

• A reação de intercalação e desintercalação de Li tem um baixo potencial redox para satisfazer a alta tensão de saída das baterias de íon de lítio.
• Durante o processo de intercalação e desintercalação de Li, o o potencial do eletrodo muda pouco, o que é benéfico para a bateria obter uma tensão operacional estável.
• Grande capacidade reversível para atender à alta densidade de energia de baterias de íon de lítio.
• Boa estabilidade estrutural durante o processo de desintercalação de Li, então que a bateria tem um ciclo de vida alto.
• Ecologicamente correto, não há poluição ambiental ou envenenamento na fabricação e descarte de baterias.
• O processo de preparação é simples e o custo é baixo, os recursos são abundantes e fáceis de obter, etc.

Com tecnologia progresso e atualização industrial, os tipos de materiais anódicos também são aumentando e novos materiais estão sendo constantemente descobertos.

Os tipos de ânodo os materiais podem ser divididos em carbono e não carbono. Carbono inclui natural grafite, grafite artificial, microesferas de carbono mesofásico, carbono duro, macio carbono, etc. As categorias sem carbono incluem materiais à base de silício, materiais à base de titânio, materiais à base de estanho, metal de lítio, etc.

1. Natural grafite

Grafite natural é dividido principalmente em grafite em flocos e grafite microcristalina. Floco grafite exibe maior capacidade específica reversível e Coulombic de primeiro ciclo eficiência, mas a estabilidade do seu ciclo é ligeiramente fraca. Grafite microcristalina tem boa estabilidade de ciclo e desempenho de taxa, mas sua eficiência coulombiana é baixo na primeira semana. Ambas as grafites enfrentam o problema da precipitação de lítio durante o carregamento rápido.

Para flocos grafite, revestimento, composição e outros métodos são usados ​​principalmente para melhorar o estabilidade do ciclo e capacidade reversível da grafite em flocos de fósforo. Baixo temperatura faz com que o Li+ se difunda lentamente na grafite em flocos de fósforo, resultando em baixa capacidade reversível de grafite em flocos de fósforo. A criação de poros pode melhorar seu desempenho de armazenamento de lítio em baixa temperatura.

Os pobres a cristalinidade da grafite microcristalina torna sua capacidade inferior à de grafite em flocos. Composição e revestimento são modificações comumente usadas métodos. Li Xinlu e outros revestiram a superfície de grafite microcristalina com resina fenólica carbono termicamente craqueado, aumentando o coeficiente coulombiano eficiência da grafite microcristalina de 86,2% para 89,9%. Em uma corrente densidade de 0,1C, sua capacidade específica de descarga não decai após 30 ciclos de carga-descarga. Sol Y.L. e outros. FeCl3 incorporado entre as camadas de grafite microcristalina para aumentar a capacidade reversível do material a ~800mAh g-1. A capacidade e o desempenho da taxa de grafite microcristalina são piores do que os da grafite em flocos de fósforo, e há menos estudos em comparação com grafite em flocos de fósforo.

2. Artificial grafite

Artificial O grafite é feito de matérias-primas como coque de petróleo, coque agulha e lançar coque através de britagem, granulação, classificação e alta temperatura processamento de grafitização. Grafite artificial tem vantagens no ciclo desempenho, desempenho de taxa e compatibilidade com eletrólitos, mas seu a capacidade é geralmente inferior à da grafite natural, então o principal fator que determina que seu valor é a capacidade.

A modificação O método da grafite artificial é diferente daquele da grafite natural. Geralmente, o objetivo de reduzir a orientação do grão de grafite (valor OI) é alcançado através da reorganização da estrutura das partículas. Geralmente, um precursor de coque tipo agulha com um diâmetro de 8 a 10 Î1⁄4m é selecionado e facilmente materiais grafitizáveis, como o piche, são usados ​​como fonte de carbono do aglutinante e são processados ​​em forno de tambor. Várias partículas de coque tipo agulha são ligados para formar partículas secundárias com um tamanho de partícula D50 variando de 14 a 18 Î1⁄4m, e então a grafitização é concluída, reduzindo efetivamente o valor de OI do material.

3. Mesofase microesferas de carbono

Quando o asfalto compostos são tratados termicamente, ocorre uma reação de policondensação térmica para gerar pequenas esferas de mesofase anisotrópica. O carbono esférico de tamanho mícron material formado pela separação dos grânulos de mesofase da matriz asfáltica é chamadas microesferas de carbono mesofásicas. O diâmetro é geralmente entre 1 e 100 μm. O diâmetro das microesferas de carbono mesofásicas comerciais está geralmente entre 5 e 40 Î1⁄4m. A superfície da bola é lisa e possui alta densidade de compactação.

Vantagens de microesferas de carbono mesofásicas:

(1) Esférico partículas são propícias à formação de eletrodos empilhados de alta densidade revestimentos, e têm uma pequena área de superfície específica, o que é propício para reduzindo reações colaterais.

(2) O carbono camada atômica dentro da bola é disposta radialmente, Li + é fácil de intercalar e desintercalação, e o grande desempenho de carga e descarga de corrente é bom.

No entanto, repetido intercalação e desintercalação de Li+ nas bordas do mesocarbono microesferas podem facilmente levar ao descascamento e deformação da camada de carbono, causando desvanecimento da capacidade. O processo de revestimento de superfície pode efetivamente inibir o fenômeno da descamação. Atualmente, a maioria das pesquisas sobre carbono mesofásico microesferas concentra-se na modificação de superfície, composta com outros materiais, revestimento de superfície, etc.

4. Carbono macio e carbono duro

O carbono macio é carbono facilmente grafitável, que se refere ao carbono amorfo que pode ser grafitado em altas temperaturas acima de 2500°C. O carbono macio tem baixo cristalinidade, tamanho de grão pequeno, grande espaçamento interplanar, boa compatibilidade com eletrólito e bom desempenho de taxa. O carbono macio tem um alto capacidade irreversível durante a primeira carga e descarga, uma baixa saída tensão e nenhuma plataforma óbvia de carga e descarga. Portanto, é geralmente não é usado independentemente como material de eletrodo negativo, mas é geralmente usado como revestimento ou componente do material do eletrodo negativo.

O carbono duro é carbono que é difícil de grafitar e geralmente é produzido por calor craqueamento de materiais poliméricos. Carbonos duros comuns incluem carbono de resina, carbono pirolítico de polímero orgânico, negro de fumo, carbono de biomassa, etc. do material de carbono tem uma estrutura porosa, e atualmente acredita-se que armazena principalmente lítio através de adsorção/dessorção reversível de Li+ em microporos e adsorção/dessorção de superfície.

O reversível capacidade específica de carbono duro pode chegar a 300 ~ 500mAhg-1, mas o redox médio a tensão é tão alta quanto ~ 1Vvs.Li+/Li e não há plataforma de tensão óbvia. No entanto, o carbono duro tem uma alta capacidade inicial irreversível, tensão atrasada plataforma, baixa densidade de compactação e fácil geração de gás, que também são seus deficiências que não podem ser ignoradas. A pesquisa nos últimos anos tem principalmente focado na seleção de diferentes fontes de carbono, processos de controle, composição com materiais de alta capacidade e revestimento.

5. À base de silício materiais

Embora o grafite materiais anódicos têm as vantagens de alta condutividade e estabilidade, sua o desenvolvimento da densidade energética está próximo da sua capacidade específica teórica (372mAh/g). O silício é considerado um dos materiais anódicos mais promissores, com capacidade teórica em gramas de até 4200mAh/g, o que é mais de 10 vezes maior que os materiais de grafite. Ao mesmo tempo, a inserção de lítio o potencial do Si é maior do que o dos materiais de carbono, então o risco do lítio a precipitação durante o carregamento é pequena e mais segura. No entanto, o ânodo de silício o material sofrerá uma expansão de volume de quase 300% durante o processo de intercalação e lítio de desintercalação, o que limita muito a aplicação industrial de ânodos de silício.

À base de silício os materiais anódicos são divididos principalmente em duas categorias: ânodo silício-carbono materiais e materiais de ânodo de silício-oxigênio. A atual direção dominante é usar grafite como matriz, incorporar 5% a 10% de fração de massa de nano-silício ou SiOx para formar um material compósito e revesti-lo com carbono para suprimir alterações no volume de partículas e melhorar a estabilidade do ciclo.

Melhorando o capacidade específica de materiais de eletrodos negativos é de grande importância para aumentando a densidade de energia. Atualmente, a aplicação principal é materiais à base de grafite, cuja capacidade específica excedeu sua capacidade teórica limite superior de capacidade (372mAh/g). Os materiais de silício da mesma família têm a maior capacidade específica teórica (até 4200mAh/g), que é superior a 10 vezes o do grafite. É um dos materiais de ânodo de bateria de lítio com grandes perspectivas de aplicação.

Atualmente, tecnologias de ânodo à base de silício que podem ser industrializadas são divididas principalmente em duas categorias. Uma delas é a sílica, que é dividida principalmente em três gerações: sílica de 1ª geração (óxido de silício), 2ª geração sílica pré-magnésio e sílica pré-lítio de 3ª geração. O segundo é carbono de silício, que é dividido principalmente em duas gerações: a primeira geração é nano silício moído em areia misturado com grafite. Geração 2: DCV método para depositar nano-sílica em carbono poroso.

6. Lítio titanato

Titanato de lítio (LTO) é um óxido composto composto de lítio metálico e baixo potencial metal de transição titânio. Pertence à solução sólida do tipo espinélio do Série AB2X4. A capacidade teórica em gramas do titanato de lítio é 175mAh/g, e a capacidade real em gramas é superior a 160mAh/g. É um dos materiais anódicos atualmente industrializados. Desde que o titanato de lítio foi relatado em 1996, os círculos académicos mostraram-se entusiasmados com a sua investigação. O os primeiros relatos de industrialização remontam ao lítio 4,2Ah bateria de ânodo de titanato lançada pela Toshiba em 2008, com valor nominal tensão de 2,4 V e densidade de energia de 67,2 Whkg-1 (131,6 WhL-1).

Vantagem:

(1) Tensão zero, o parâmetro da célula unitária de titanato de lítio a = 0,836 nm, a intercalação e a desintercalação de íons de lítio durante a carga e descarga quase não tem impacto em sua estrutura cristalina, evitando alterações estruturais causadas pelo material expansão e contração durante carga e descarga. Como resultado, tem estabilidade eletroquímica extremamente alta e ciclo de vida.

(2) Não há risco de precipitação de lítio. O potencial de lítio do titanato de lítio é tão alto como 1,55V. Nenhum filme SEI é formado durante a primeira carga. Tem alta eficiência inicial, boa estabilidade térmica, baixa impedância de interface e excelente desempenho de carregamento em baixa temperatura. Pode ser carregado a -40°C.

(3)UMA condutor de íons rápido tridimensional. O titanato de lítio tem um formato tridimensional estrutura de espinélio. O espaço para inserção do lítio é muito maior que o espaçamento entre camadas de grafite. A condutividade iônica é uma ordem de magnitude superior à dos materiais de grafite. É especialmente adequado para carga e descarga de alta taxa. No entanto, a sua capacidade específica e a densidade de energia é baixa e o processo de carga e descarga fará com que o eletrólito para se decompor e inchar.

Atualmente, o o volume comercial de titanato de lítio ainda é muito pequeno e suas vantagens sobre o grafite não são óbvios. Para suprimir o fenômeno da flatulência do titanato de lítio, um grande número de relatórios ainda está focado na superfície modificação do revestimento.

7. Metal lítio

Lítio metálico ânodo é o primeiro ânodo de bateria de lítio estudado. Contudo, devido à sua complexidade, o progresso da investigação anterior tem sido lento. Com o avanço de tecnologia, a pesquisa sobre ânodos metálicos de lítio também está melhorando. O metálico ânodo de lítio tem capacidade específica teórica de 3860mAhg-1 e um potencial de eletrodo supernegativo de -3,04V. É um ânodo com extremamente alto densidade de energia. No entanto, a alta reatividade do lítio e a desigualdade processo de deposição e dessorção durante a carga e descarga levam a pulverização e crescimento de dendritos de lítio durante o ciclo, causando rápida degradação do desempenho da bateria.

Em resposta ao problema do lítio metálico, os pesquisadores adotaram métodos para inibir o crescimento de dendritos no ânodo de lítio para melhorar sua segurança e ciclo de vida, incluindo a construção de filmes artificiais de interface de eletrólito sólido (SEI filmes), projeto estrutural de ânodo de lítio, modificação de eletrólitos e outros métodos.

8. À base de estanho materiais

O teórico capacidade específica de materiais à base de estanho é muito alta, e o teórico a capacidade específica do estanho puro pode chegar a 994mAh/g. No entanto, o volume de estanho o metal mudará durante o processo de intercalação e desintercalação lítio, resultando em uma expansão de volume de mais de 300%. O material a deformação causada por esta expansão de volume produzirá uma grande impedância dentro da bateria, fazendo com que o desempenho do ciclo da bateria se deteriore e a capacidade específica de decair muito rapidamente. Eletrodo negativo comum à base de estanho materiais incluem estanho metálico, ligas à base de estanho, óxidos à base de estanho e materiais compostos de estanho-carbono.