Lithium Industrie 8 kann nicht die Spitze der Lithium-Technologie!

- Jul 25, 2017-

Mit dem umfangreichen Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Alltag und Militärindustrie viele Universitäten, Forschungsinstituten und Unternehmen engagieren sich für die Entwicklung neuer Technologien für Lithium-Ionen-Batterien, vielleicht in naher Zukunft mehr sichere, höhere Kapazität, schnellere Lithium-Ionen-Batterien werden Wirklichkeit werden. Befolgen Sie bitte die MiniDisc Bestandsaufnahme der Lithium-Batterie neben dem Feld der beliebtesten acht Forschung Technologie.

1, alle Solid-State-Lithium-Ionen-Akku1500887765126071190.png

Die aktuellen kommerziellen Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyt ist flüssig, es ist auch bekannt als liquid Lithium-Ionen-Akku. In einfachen Worten bedeutet alle Solid-State-Lithium-Ionen-Akku, dass alle Komponenten in der Batterie-Struktur in fester Form und den traditionellen Lithium-Ionen-Batterie flüssiger Elektrolyt Membran mit festen Elektrolyt ersetzt werden.

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Im Vergleich mit dem flüssigen Lithium-Ionen-Akku, alle festen Elektrolyt hat folgende Vorteile: hohe Sicherheit / thermische Stabilität ist ausgezeichnet, langfristige normale Arbeit in den 60-120 ° c; Breite elektrochemische Fenster erreichen mehr als 5V, können das Hochspannungs-Material entsprechen; nur Wärmeleitung Lithiumionen führt keine Elektronen durch; Kühlsystem ist einfach, hohe Energiedichte; in ultra-dünnen flexiblen Batterie-Bereich einsetzbar. Aber die Mängel sind offensichtlich: die Flächeneinheit der ionische Leitfähigkeit ist geringer, die Temperatur ist niedriger als die macht; die Kosten sind extrem teuer; industrielle Produktion von Akku mit großer Kapazität ist schwierig.

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Die Leistung des Elektrolyts Material zu einem großen Teil bestimmen die Solid-State-Lithium-Ionen-Batterie Leistungsdichte, radeln Stabilität,, Sicherheitsleistung, hohe und niedrige Temperatur, Leistung und Lebensdauer. Festen Elektrolyt kann in Polymer-Elektrolyt (in der Regel PEO und Lithium LiTFSI und andere Mischungen für das Elektrolyt Substrat Salz) und anorganische Elektrolyte (wie Oxiden und Sulfiden) zwei Kategorien unterteilt werden. Alle Solid-State-Batterie-Technologie gilt als die nächste Generation des Focus auf die Entwicklung von innovativen Akku-Technologie, ich glaube in naher Zukunft mehr ausgereiften Technologie, diese Probleme gelöst werden können.

2, hohe Energiedichte ternären Material Akku

Mit der Verfolgung der Energiedichte der Batterie, ternären Kathoden-Material mehr und mehr die Aufmerksamkeit der Menschen. Ternären Kathodenmaterial mit hohen spezifischen Kapazität, gute Performance, low-cost Vorteil, in der Regel bezieht sich auf die Schichtstruktur der Nickel-Kobalt-Mangan-Oxid-Material. Durch die Erhöhung des Batterie-Spannung und Nickel Inhalts in das Material, können effektiv die Energiedichte des ternären Kathoden-Material verbessern.

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In der Theorie der ternäre Material selbst hat den Vorteil der Hochspannung: ternären Kathode Material Halbzelle standard Prüfspannung ist 4.35V, in diese Spannung unter den gewöhnlichen ternären Material kann zeigen eine gute Leistung; berechnen Spannung erhöht sich auf 4,5V, symmetrische Art von Material (333 und 442) Kapazität erreichen 190, der Zyklus ist auch gut, 532 Zyklus schlimmer; kostenlos, 4.6V, ternären Materialkreislauf begann zu sinken, Blähungen das Phänomen ist ernster. Zur Zeit ist es schwierig, die Hochspannung Elektrolyt zu finden, das für die Hochspannung ternären Kathodenmaterial geeignet ist.

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Ein weiterer Weg, um die Energiedichte des ternären Materialien erhöhen soll den Gehalt von Nickel in das Material erhöhen. Im Allgemeinen heißt das hoch-Nickel ternären Kathodenmaterial der molare Anteil an Nickel in das Material ist größer als 0,6, und solchen ternären Materialien haben ein hohes Verhältnis Kapazität und low-cost Eigenschaften, aber seine Kapazität Abscheiderate ist gering, thermischer Stabilität ist schlecht. Die Verbesserung des Vorbereitungsprozesses kann effektiv die Leistung dieses Materials verbessern. Die Nano-Größe und Morphologie haben großen Einfluss auf die Eigenschaften von hoch-Nickel ternären Kathoden-Material. Daher die meisten Vorbereitung Methoden konzentrieren sich auf die einheitliche Dispersion und die sphärische Partikel mit Größe und spezifische Oberfläche erhalten.

Unter den vielen Methoden der Vorbereitung ist die Coprecipitation-Methode kombiniert mit der hohen Temperatur Festphase Methode der Mainstream-Methode. Zunächst wird die Coprecipitation-Methode verwendet, um die Vorstufen mit einheitlichen homogenen Material und einheitliche Korngröße zu erhalten. Dann ergeben sich nach der Hochtemperatur-Kalzinierung ternären Materialien mit einfachen Oberflächen-Kontrolle und leicht zu kontrollieren. Dies ist auch die main-Methode in der industriellen Produktion verwendet. Die Methode der Sprühtrocknung ist einfach und die Zubereitung ist schneller als der Coprecipitation-Methode. Die Morphologie des gewonnenen Materials ist nicht so gut wie Coprecipitation Methode und hat das Potenzial für weitere Forschungsarbeiten. Hohen Nickel ternären Kathode Materialien kationischen mischen und kostenlos und Entlastung Prozess Phasenwechsel und andere Unzulänglichkeiten von doping-Änderung und Modifikation der Beschichtung können effektiv verbessert werden. Es ist immer noch ein heißes Thema zur Verbesserung der Leitfähigkeit, Zyklus Leistung, Vergrößerung Leistung, Speicherleistung und hoher Temperatur und hohem Druck Leistung beim unterdrücken das auftreten und die Stabilität von Nebenreaktionen.

3, Hochleistungs-Silikon-Carbon-anode

Als ein wichtiger Bestandteil der Lithium-Ionen-Akku, Anodenmaterial, einen direkten Einfluss auf die Batterie Energiedichte Zyklus Leben und Sicherheit und andere Kennzahlen. Silizium ist derzeit bekannt als die höchste spezifische Kapazität (4200mAh / g) Lithium-Ionen-Akku Anodenmaterial, sondern wegen seiner mehr als 300 % des Volumen-Effekt, wird das Silizium-Elektrodenmaterial Lade- und Entladezyklen dabei von pulverisiert werden die Stromabnehmer peeling, Substanzen und Wirkstoffe, Wirkstoffe und den Verlust der elektrischen Kontakt zwischen den Sammler, während die Bildung von neuen festen Elektrolyt Schicht SEI, und schließlich führen zu einer Verschlechterung der elektrochemischen Leistung. Um dieses Problem zu lösen, die Forscher führten eine Menge Exploration und versuchen, die Silicon-Carbon composite-Material sehr vielversprechend ist Materialien.

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Carbon-Material als Lithium Ion Akku Anodenmaterial in der Lade- und Entladezyklen Prozess Volumenänderungen mit gute Zyklenfestigkeit und hervorragende Leitfähigkeit kleiner, wird es häufig bis hin zu komplexen mit Silikon verwendet. In der Silizium-Kohlenstoff zusammengesetzte Anodenmaterial, je nach Art des Kohlenstoffs Material kann werden in zwei Kategorien unterteilt: Silizium und traditionellen Kohlenstoffmaterialien und Silizium und neue Carbon composite-Materialien, einschließlich traditionelle Kohlenstoffmaterialien einschließlich Mesophase Mikrosphären, Graphit, Kohlenstoff schwarz und amorphem Kohlenstoff; neue Kohlenstoffmaterialien gehören vor allem Kohlenstoff-Nanoröhren, Kohlenstoff-Nanodrähte, Kohlenstoff-Gels und Graphen. Die Verwendung von Silikon und Carbon-Composite, die Verwendung von Carbon Material porös Rolle, die Zwänge und Puffer die aktive Mitte die Volume-Erweiterung, um zu verhindern, dass die Agglomeration der Partikel, das Elektrolyt in die Mitte des Eindringens, weiterhin zu verhindern die Schnittstelle und SEI Membran Stabilität.

Viele Unternehmen auf der ganzen Welt haben damit begonnen, diese neue Art von Anodenmaterial, zum Beispiel Shenzhen Beitui widmen und Jiangxi lila Chen wurde der erste, der eine Vielzahl von Silicium Kohlenstoff Anode materielle Produkte vorzustellen, Shanghai Shanshan ist in den Prozess der Industrialisierung von Silizium Anode Material, Star City Graphit Silicon Anode ist eine neue Art von negativen Materialien als zukünftiges Produkt Entwicklungsrichtung gewesen.

4, Hochspannungs-Hochleistungs-Lithium-reiche Materialien

(XLi [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 X) LiMO2, M ist die Übergangsmetall-0≤x≤1, die Struktur ist ähnlich wie LiCoO2) hat eine hohe Entlastung bestimmte Kapazität, die tatsächliche Kapazität das Kathodenmaterial etwa 2 Mal, und daher für Lithium Batteriematerialien umfassend untersucht. Darüber hinaus, weil das Material eine Menge von Mn-Elementen, und LiCoO2 und ternären Materialien Li enthält [Ni1 / 3Mn1 / 3Co1 / 3] O2 im Vergleich zu mehr umweltsmäßig freundlich und sicher. Daher xLi [Li1 / 3-Mn2 / 3] O2; (1 X) LiMO2 Materialien sind für die nächste Generation von Lithium-Ionen-Batterie-Kathoden-Material von vielen Gelehrten als ideal betrachtet.1500887772302013764.png

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Derzeit einige Coprecipitates werden verwendet, um pyrogenen Lithium Mangan-basierte Materialien vorbereiten und einige Forscher verwenden Sol-Gel-Methode, Festphasen-Methode, Brennverfahren und hydrothermale Verfahren vorbereiten, aber das erhaltene Material ist weniger stabil als Coprecipitation Methode. Obwohl dieses Material eine hohe spezifische Kapazität hat, aber seine praktische Anwendung gibt es immer noch einige Probleme: den ersten Zyklus der irreversiblen Kapazität bis zu 40 ~ 100mAh / g; Vergrößerung-Leistung ist schlecht, 200mAh Kapazität 1C / g unten; hohen Ladespannung verursacht durch Elektrolyt Zersetzung, bilden die Zyklus-Leistung ist nicht Ideal, und die Verwendung von Sicherheitsproblemen. Die oben genannten Probleme der Lithium-reiche Mangan-basierte Materialien zufriedenstellend gelöst werden kann, durch die Annahme von Metall-Oxid-Beschichtung, mischen mit anderen Kathoden-Material, Oberflächenbehandlung, Bau von speziellen Struktur und niedrige Obergrenze Spannung stets und Behandlung zu entladen.

Im Jahr 2013, Ningbo Materialien entwickelt eine neuartige Gas-Feststoff Interface-Änderung-Technologie, so dass die Oberfläche des Lithium-reiche Lithium-basierten Kathodenmaterial eine einheitliche Sauerstoff Vakanz zu bilden, die das Material für die erste Ladung und Entladung verbessert Effizienz, Kapazität entladen und Zyklus Stabilität und der Lithium-Mangan-basierte Kathode Material praktische Prozess effektiv fördern.

5, hohe Spannung aushalten Elektrolyt

Obwohl die Hochvolt-Lithium-Batterie, die Materialien immer mehr Beachtung, aber in der tatsächlichen Produktionsanwendungen, diese Hochspannungs-Kathoden-Material noch nicht gute Ergebnisse erzielen kann. Der größte limitierende Faktor ist, dass Fenster elektrochemische Stabilisierung der Karbonat-basierte Elektrolyt gering ist, und wenn die Batteriespannung erreicht etwa 4,5 (im Vergleich zu Li / Li +), das Elektrolyt beginnt zu schweren oxidative Zersetzung zu unterziehen, was zu Lithium wird die Reaktion nicht normal fortgesetzt. Die Entwicklung der elektrolytischen Lösung Hochvolt-System zur Förderung der praktischen Nutzung dieses neuen Materials eine wichtige Rolle.

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Es ist ein wirksames Mittel, Hochspannungs-Elektrolyte zu entwickeln, durch die Entwicklung und Anwendung neuer Hochdruck Elektrolytsystemen oder Hochdruck filmbildende Zusätze zur Verbesserung der Stabilität der Elektrode / Elektrolyt-Schnittstelle. Letzteres wird oft bevorzugt. Solche Zusätze zur Verbesserung der widerstehen Spannung des Elektrolyten in der Regel gehören Bor-haltigen, Organophosphor, Carbonat, schwefelhaltigen, ionische Flüssigkeiten und andere Arten von Zusatzstoffen. Bor-haltige Zusätze sind Tris (Trimethyl) Borat, Lithium BIZ-Oxalat, Lithium Bisfluoroborate, Tetramethyl-Borat, Trimethyl Borat und Trimethylcyclotrisborane. Organische Phosphor-Zusätze gehören Phosphites und Phosphate. Carbonat-basierte Additive enthalten Fluor-haltige Verbindungen. Die Schwefel-haltigen Zusatzstoffe enthalten 1,3-Propanesultone, Dimethanesulfonylmethane, Trifluoromethylphenyl Sulfid und dergleichen. Ionische flüssige Zusätzen gehören Imidazoles und quartären Phosphonium-Salze.

Aus der in- und ausländischen Forschung wurde öffentlich berichtet, die Einführung von Hochdruck-Additiven kann das Elektrolyt 4.4 widerstehen machen ~ 4.5V Spannung, aber wenn die Ladespannung erreicht 4.8V oder sogar mehr als 5V, muss entwickelt werden, um zu widerstehen höhere Spannung Elektrolyt.

6, Hochtemperatur-Membran

Lithium Batterie Separator in der Lithium-Ionen-Akku vor allem spielt eine Rolle bei der Durchführung von Lithium-Ionen und Isolierung zwischen den positiven und negativen elektronischen Kontakt ist, den Akku, um die Ladung und Entladung der wichtigen Komponenten komplett zu unterstützen elektrochemischen Prozess. Bei der Verwendung von Lithium-Batterien wenn die Batterie überladen oder die Temperatur steigen, muss die Membran ausreichenden thermischen Stabilität (Hitze Verzerrung Temperatur > 200 ℃), um die Batterie effektiv zu isolieren haben zwischen den positiven und negativen Kontakt zu Kurzschluss, Wärme aus Kontrolle oder sogar Explosionen und andere Unfälle zu vermeiden. Die Polyolefine-Membran, die heute weit verbreitet ist, hat einen niedrigen Schmelzpunkt und Erweichung Temperatur)<165 °="" c),="" which="" is="" difficult="" to="" ensure="" the="" safety="" of="" the="" battery,="" while="" its="" low="" porosity="" and="" low="" surface="" energy="" limit="" the="" battery="" performance.="" therefore,="" it="" is="" very="" important="" to="" develop="" high="" safety="" and="" high="" temperature="">

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Ningbo Institut der Materialien macht Lithium Batterie Engineering Laboratory und Dalian Institut für Chemische Physik Energy Research Institute, die Verwendung von Nassverfahren ein Spritzguss-Technologie gemeinsam entwickelte eine neuartige Hochtemperatur poröse Membran, die poröse Membran Vorbereitungskosten sind niedrig, leicht zu produzieren zu quantifizieren. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass die Hitze Verzerrung Temperatur der Membran sehr viel höher als 200 ℃, entspricht der thermischen Stabilität von den kommerziellen Vliesstoff-Separator, die effektiv die Sicherheit des Akkus garantieren kann. Zur gleichen Zeit hat diese poröse Membran eine hohe Porosität und starker Krümmung der Porenstruktur, um sicherzustellen, dass die Akku-Kapazität spielen zur gleichen Zeit, die Batterie Mikro Kurzschluss und Selbstentladung Phänomen wirksam zu vermeiden. Darüber hinaus hat Ningbo Materialien auch eine ultra-dünne Ion austauschbare Funktionsschicht hitzebeständigen composite Membran, basierend auf dreidimensionalen hitzebeständige Skelett von Gel zusammengesetzte Membran und keramischen Membran entwickelt.

Neben Ningbo Materialien im Jahr 2015 das Mitsubishi-Harz in die Membran mit hoher Hitze Widerstand anorganischen Füllstoff, beschichtet, so dass die Membran bei 220 ° c Temperatur kann immer noch pflegen den entsprechenden Widerstandswert, Blockierung des Stroms durch.

7, Lithium-Schwefel-Batterie

Lithium-Schwefel-Batterie ist ein Lithium-Element als ein Batterie-Kathode, Metall Lithium als negative Lithiumbatterie. Der größte Unterschied mit dem allgemeinen Lithium-Ionen-Akku ist, dass der Reaktionsmechanismus der Lithium-Schwefel-Batterien elektrochemischen Reaktion anstatt Lithium-Ionen-de-eingebettet. Das Prinzip der Lithium-Schwefel-Batterie basiert auf der komplexen elektrochemischen Reaktion, so weit, die Schwefel-Elektrode in die Ladung und Entladevorgang durch das Zwischenprodukt gebildet wurde keine Charakterisierung der Durchbruch. Es wird allgemein angenommen, dass die negative Elektrode reagiert Lithium Verlust von Lithium-Ionen, die positive Reaktion ist Schwefel und Lithium-Ionen und Elektronen zu Sulfid zu produzieren, die positiven und negativen Elektrode Reaktion Potentialdifferenz ist die Lithium-Schwefel-Batterie zur Verfügung gestellt durch die Entladespannung. In der Rolle des externen Spannung Lithium-Schwefel-Batterie-positive und negative Reaktion umkehren, d. h. den Ladevorgang.

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Lithium-Schwefel-Batterie ist der größte Vorteil der theoretischen spezifische Kapazität (1672mAh / g) und spezifische Energie (2600Wh / kg) ist höher, viel höher als die aktuelle weit verbreitet auf dem Markt von anderen Arten von Lithium-Ionen-Akku, und wegen der üppigen Qualität von Schwefel diese Batterie ist kostengünstig und umweltfreundlich. Die Lithium-Schwefel-Batterie hat jedoch auch einige Nachteile: die elementare Schwefel hat schlechte elektrische Leitfähigkeit und ionische Leitfähigkeit; Das Zwischenprodukt Entlastung Produkt der Lithium-Schwefel-Batterie löst sich in den organischen Elektrolyten und Polysulfid Ionen Wandern zwischen den positiven und negativen Ionen, wodurch Aktivität Materialverlust; negative Ladung und Entladung Prozess Metall Lithium wird in Volumenänderungen, und leicht zu Form Dendriten auftreten; Schwefel-Kathode in Lade- und Entladezyklen verarbeiten bis zu 79 % der Volume-Erweiterung / Kontraktion.

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Die main-Methode, die oben genannten Probleme in der Regel von den Elektrolyt und Kathode Materialien in zwei Aspekte: der Elektrolyt, die hauptsächliche Verwendung von Äther Elektrolyt als Batterie-Elektrolyt hinzufügen einige Zusatzstoffe in den Elektrolyten, kann sehr wirksam bei der Linderung Lithium Polysulfid Lösung der Verbindung; Das Kathodenmaterial, vor allem der Schwefel und Kohlenstoff Materialverbund oder die Kombination von Schwefel und organische Verbindungen, Schwefel kann das Problem der nicht leitend und Volume-Erweiterung.

Lithium-Schwefel-Batterie ist noch in der Forschung im Labor und Entwicklungsphase, der chinesischen Akademie der Wissenschaften, Nanyang Wissenschaft und Technologie, Stanford, Japan Industrial Technology Research Institute und der Universität Tsukuba Research in einer der führenden Position und SionPower wurde in der Arbeitsmappe, UAV-Feld eine sinnvolle Anwendung-Versuch durchgeführt.

8, Lithium-Batterie

Lithium-Batterie ist eine neue Art von großvolumigen Lithium-Ionen-Akku durch die japanischen Industrial Technology Research Institute und die japanische Gesellschaft für Promotion of Science (JSPS) gemeinsam entwickelt. Die Batterie ist Lithiummetall als die negative Elektrode aus, der Sauerstoff in der Luft als die positive Elektrode, und die beiden Elektroden sind durch die festen Elektrolyt getrennt. Die negative Elektrode nimmt den organischen Elektrolyten und die positive Elektrode verwendet den wässrigen Elektrolyten.

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Bei der Wahrnehmung der negativen Elektrode in Form von Lithium-Ionen gelöst in organischen Elektrolyten, und dann durch die festen Elektrolyt-Migration auf die positive Elektrode des wässrigen Elektrolyten; Elektronen durch den Draht zur Kathode, die Luft aus Sauerstoff und Wasser in die Mikro-Kohlenstoff Oberflächenreaktion Wasserstoffperoxid entsteht und wird mit Lithium-Ionen im wässrigen Elektrolyten der positiven Elektrode zu wasserlöslichen Lithiumhydroxid Form kombiniert. Zum Zeitpunkt der Erhebung werden die Elektronen auf die negative Elektrode durch die Kabel übertragen. Die Lithium-Ionen durchlaufen die festen Elektrolyt aus dem festen Elektrolyten an die Oberfläche der negativen Elektrode, und die Reaktion tritt auf der Oberfläche der negativen Elektrode, Metall Lithium zu produzieren. Die Wasserstoffatome der positiven Elektrode verlieren Elektronen.

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Lithium-Akku durch den Ersatz von Elektrolyten positive und negative Lithium kann nicht laden, Abflusskapazität bis zu 50000mAh / g, hohe Energiedichte, theoretisch 30 kg Lithiummetall und 40 L Benzin release der gleichen Energie; Produkt Lithiumhydroxid leicht zu erholen, umweltfreundlich. Aber die Zyklenfestigkeit Umwandlung Leistungsfähigkeit und Vergrößerung Leistung ist seine Mängel.

Im Jahr 2015, Cambridge University, entwickelt grau eine hochenergetische Dichte von Lithium-Luft, die Anzahl der Ladungen "mehr als 2000 Mal", die Energieeffizienz der Theorie von mehr als 90 %, so dass die praktische Anwendung der Lithium-Batterie einen Schritt nach vorne getan hat. Bereits 2009, IBM ins Leben gerufen eine nachhaltige Transport-Projekt um eine Lithium-Ionen-Batterie geeignet für zu Hause Elektrofahrzeuge zu entwickeln in der Hoffnung, etwa 500 Meilen eine Zeit, die letzten japanischen Asahi Kasei berechnen und Central Glass Company trat auch das Projekt, Forschungseinrichtungen und namhafte Unternehmen auf dem Gebiet der Lithium-Luft-Batterie-Forschung und Entwicklung fördert stark die Anwendung dieser Batterie-Technologie.