Wat zijn de specifieke materialen die worden gebruikt in lithium-ionbatterijsystemen?

Het lithium-ion batterij materiaal systeem is complex, variërend van de elektrochemische kern tot structurele componenten.

I. Kathodematerialen

Kathodematerialen zijn de bron van lithium ionen in de batterij en hun prestaties bepalen de energiedichtheid, kosten en veiligheid van de batterij.Ze kunnen hoofdzakelijk in de volgende drie categorieën worden onderverdeeld::

1.1 gelaagde oxiden:Deze materialen hebben meestal een hoge energiedichtheid, maar relatief zwakke stabiliteit.

1.1.1 Lithiumcobaltoxide, NCM/NCA en lithiumrijke materialen op basis van mangaan behoren allemaal tot gelaagde oxide-structuren;

1.1.2 Lithiumcobaltoxide (LCO, LiCoO2): dit is het dominante materiaal in consumentenelektronica, met een hoogspanningsplatform en een hoge kraandichtheid,Maar het is duur en de veiligheid moet verbeterd worden..

1.1.3 Lithium-nikkel-manganoxide (NCM): met een uitstekende algehele prestatie is het momenteel de belangrijkste keuze voor accu's.met een vermogen van niet meer dan 10 W,, kan een evenwicht worden bereikt tussen energiedichtheid, kosten en levensduur.

1.1.4 Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA, LiNiCoAlO2): hoge energiedichtheid en relatief goede thermische stabiliteit; vaak gebruikt in sommige cilindrische batterijen.

1.1.5 op lithiumrijke mangaan gebaseerd (xLi2MnO3·(1-x) LiMO2): wordt beschouwd als een kandidaatmateriaal voor de volgende generatie kathoden met een hoge energiedichtheid, met een zeer hoge specifieke capaciteit;Spanningsverlies en slechte prestaties zijn uitdagingen voor de commercialisering.

1.2 Olivine structuur:Het wordt vertegenwoordigd door lithium-ijzerfosfaat (LFP, LiFePO4), waarvan de stabiele structuur resulteert in een uiterst hoge veiligheid en een zeer lange levensduur, met relatief lage kosten,waardoor het op grote schaal wordt gebruikt in elektrische voertuigen en energieopslagcentrales waar de veiligheidsvereisten extreem hoog zijnHet derivaten, lithiummanganese-ijzerfosfaat (LMFP), probeert de energie­dichtheid te verbeteren en tegelijkertijd de veiligheid te behouden.

1.3 Spinelstructuur:Verwijst hoofdzakelijk naar lithiummanganenoxide (LMO, LiMn2O4), dat wordt gekenmerkt door lage kosten en goede veiligheid, maar met over het algemeen slechte cyclusprestaties bij hoge temperaturen en een slechte energiedichtheid,vaak gebruikt in combinatie met andere materialenDe academische gemeenschap onderzoekt actief systemen met een hogere energiedichtheid, zoals zwavelkatodes en organische katodes, maar ze worden allemaal geconfronteerd met kernuitdagingen zoals de levensduur.

II. Anodematerialen

Anodematerialen zijn de dragers voor lithium-ionopslag, en hun prestaties hebben een directe invloed op de snelle oplaadcapaciteit en de levensduur van de batterij.

2.1 Materialen op koolstofbasis:Momenteel een machtspositie.

2.1.1 Grafiet: wordt door zijn uitstekende cyclusstabiliteit en kostenvoordelen algemeen gebruikt en wordt verdeeld in natuurlijk en kunstmatig grafiet.

2.1.2 Mesophase Carbon Microspheres (MCMB) zijn ook een high-end grafietproduct.

2.1.3 ongeordende koolstof: omvat harde koolstof en zachte koolstof, waaronder harde koolstof, vanwege zijn unieke poreuze structuur,wordt beschouwd als een potentieel materiaal voor natrium-ionbatterijen en lithium-ion snellaad-anoden.

2.1.4 Koolstofnanobuisjes (CNT's) /grafeen: meestal niet gebruikt als hoofdanode, maar eerder als geleidende additief om de geleidbaarheid en snelheid van de elektrode te verbeteren.

2.2 Materiaal op basis van silicium:De anodematerialen van de volgende generatie worden algemeen erkend. Hun theoretische specifieke capaciteit bereikt 4200 mAh/g, meer dan 10 keer dat van grafiet.de enorme volume-uitbreiding (meer dan 300%) leidt tot een slechte levensduur van de cyclusHet is een belangrijke uitdaging voor de commercialisering.

2.3 Lithiumtitanaat (LTO, Li4Ti5O12):Bekend om zijn uitstekende snelheidsprestaties en ultra lange levensduur, en vrijwel geen lithiumdendritevorming, wat resulteert in een zeer hoge veiligheid.De nadelen zijn lage energie-dichtheid en hoge kosten, waardoor het gebruik ervan beperkt blijft tot speciale toepassingen met een hoog vermogen.

2.4 Lithiummetaal:Als de "heilige graal" van anodematerialen,het heeft theoretisch de hoogste specifieke capaciteit en is cruciaal voor het bereiken van batterijen met een hoge energie-dichtheid (zoals lithium-zwavel- en solid state-batterijen)Het gebruik van andere geavanceerde materialen, zoals tin-based materialen, overgangsmetalen nitrides en diverse legeringsmaterialen, is echter een ernstig veiligheidsrisico.nog in ontwikkeling, biedt talrijke mogelijkheden voor toekomstige technologische doorbraken.

III. Elektrolyten

De elektrolyt is de "snelweg" voor het transport van lithium-ionen tussen de positieve en negatieve elektroden en bepaalt de ionengeleidbaarheid van de batterij, het werktemperatuurbereik, enz.

3.1 Vloeibare elektrolyten (elektrolyten):De meest gebruikte in commerciële lithiumbatterijen, wordt geprezen als het "bloed" van de batterij en bestaat voornamelijk uit drie delen.

Lithiumzout: Levert lithiumionen en is het kerncomponent.zoals LiBF4 en LiFSI, worden vaak gebruikt als additieven om specifieke prestatie-eigenschappen te verbeteren.

Biologisch oplosmiddel: wordt gebruikt voor het oplossen van lithiumzouten.en EMC) worden doorgaans in combinatie gebruikt om de prestaties te optimaliseren.

Functionele toevoegingsmiddelen: deze worden in kleine hoeveelheden gebruikt, maar spelen een cruciale rol, zoals filmvormende toevoegingsmiddelen (VC en FEC), vlamvertragende toevoegingsmiddelen en overladingsbeschermingsadditieven,om de batterijveiligheid en de levensduur van de batterij te verbeteren.

3.2 Elektrolyten in vaste staat:De kern van volledig vaste batterijen, theoretisch in staat om de veiligheidsproblemen zoals lekkage en verbranding volledig op te lossen.maar alle momenteel geconfronteerd met uitdagingen van lage ionische geleidbaarheid en hoge interfacial impedance.

IV. Separator

De separator is een poreuze isolatiefilm tussen de positieve en negatieve elektroden.De functie ervan is om direct contact en kortsluiting tussen de twee elektroden te voorkomen en tegelijkertijd lithiumionen door te latenOp dit moment is de mainstream het polyolefin microporeuze membraan, met inbegrip van polyethyleen (PE), polypropyleen (PP) en PP/PE/PP drielaagse composietmembranen.de basisfolie wordt vaak gewijzigd door een coating, zoals met keramische materialen (bv. aluminiumfolie, boehmite, voor een betere hittebestendigheid) of met polymeren (bv. PVDF, aramide, voor een betere hechting).

V. Hulpmiddelen en structurele onderdelen

Hoewel deze materialen niet rechtstreeks deelnemen aan elektrochemische reacties, zijn ze cruciaal voor de elektrodeverwerking en de algehele prestaties van de batterij.

5.1 Stroomcollector: wordt gebruikt om het actieve materiaal te dragen en stroom te verzamelen en geleiden.terwijl koperen folie wordt gebruikt voor de negatieve elektrode• Samengestelde stroomcollectoren (bijv. polymer-metaalcomposite folies) vormen een nieuwe richting voor de verbetering van de veiligheid.

5.2 geleidend middel: wordt toegevoegd aan de positieve en negatieve elektrode slurries om een geleidend netwerk tussen de actief materiaal deeltjes te bouwen, waardoor de elektronische geleidbaarheid van de elektroden wordt verbeterd.Veelgebruikte materialen zijn koolstofzwart (e).g., Super P, acetyleenzwart, Ketjenzwart), geleidende grafiet en koolstofnanobuisjes (CNT's).

5.3 bindmiddel: houdt het actieve materiaal en geleidende middel stevig aan de stroomcollector vast.terwijl negatieve elektrode slurry meestal gebruik maakt van water-gebaseerde bindmiddelen, zoals een combinatie van SBR en CMC.

5.4 Behuizing en structurele onderdelen: bieden mechanische ondersteuning en afdichting.

Hoesje:Veel voorkomende soorten zijn aluminium behuizing, stalen behuizing en aluminium-plastiek folie (voor zakbatterijen).

Tabs/connectoren:Typisch aluminiumstroken (positieve elektrode) en nikkelstroken/kopergeplatte nikkelstroken (negatieve elektrode).

Veiligheid en isolatiecomponenten:Inclusief doppen, isolatieplaten, explosiebestendige kleppen, PTC-terminals, enz., om de batterijveiligheid onder abnormale omstandigheden te garanderen.