Какие конкретные материалы используются в литий-ионных аккумуляторных системах?

Материальная система литий-ионных аккумуляторов сложна и охватывает все: от электрохимического ядра до конструкционных компонентов. Ее можно классифицировать следующим образом:

I. Катодные материалы

Катодные материалы являются источником ионов лития в аккумуляторе, и их характеристики напрямую определяют удельную энергоемкость, стоимость и безопасность аккумулятора. По кристаллической структуре их можно разделить на следующие три основные категории:

1.1 Слоистые оксиды: Эти материалы обычно обладают высокой удельной энергоемкостью, но относительно слабой стабильностью.

1.1.1 Оксид лития-кобальта, NCM/NCA и богатые литием марганцевые материалы относятся к слоистым оксидным структурам;

1.1.2 Оксид лития-кобальта (LCO, LiCoO₂): Это доминирующий материал в потребительской электронике, отличающийся высокой платформой напряжения и высокой насыпной плотностью, но он дорогой, и его характеристики безопасности требуют улучшения.

1.1.3 Оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NCM): Обладая отличными общими характеристиками, он в настоящее время является основным выбором для силовых аккумуляторов. Регулируя соотношение никеля, марганца и кобальта (например, распространенные NCM811 и NCM622), можно достичь баланса между удельной энергоемкостью, стоимостью и сроком службы.

1.1.4 Оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (NCA, LiNiCoAlO₂): Высокая удельная энергоемкость и относительно хорошая термическая стабильность; обычно используется в некоторых цилиндрических аккумуляторах.

1.1.5 Богатые литием марганцевые материалы (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂): Считаются перспективными материалами для катодов следующего поколения с высокой удельной энергоемкостью, обладающими сверхвысокой удельной емкостью; однако снижение напряжения и плохая производительность при высоких скоростях являются проблемами для их коммерциализации.

1.2 Структура оливина: Представленный фосфатом лития-железа (LFP, LiFePO₄), его стабильная структура обеспечивает чрезвычайно высокую безопасность и сверхдлительный срок службы, при относительно низкой стоимости, что делает его широко используемым в электромобилях и накопителях энергии, где требования к безопасности чрезвычайно высоки. Его производное, фосфат лития-марганца-железа (LMFP), призвано улучшить удельную энергоемкость при сохранении безопасности.

1.3 Шпинельная структура: В основном относится к оксиду лития-марганца (LMO, LiMn₂O₄), характеризующемуся низкой стоимостью и хорошей безопасностью, но в целом плохой производительностью при высоких температурах и низкой удельной энергоемкостью, часто используется в сочетании с другими материалами. Научное сообщество активно исследует системы с более высокой удельной энергоемкостью, такие как серные катоды и органические катоды, но все они сталкиваются с основными проблемами, такими как срок службы.

II. Анодные материалы

Анодные материалы являются носителями для хранения ионов лития, и их характеристики напрямую влияют на способность аккумулятора к быстрой зарядке и срок службы.

2.1 Углеродные материалы: В настоящее время занимают доминирующее положение.

2.1.1 Графит: Становится основным благодаря своей превосходной стабильности цикла и преимуществам в стоимости, он делится на природный графит и искусственный графит.

2.1.2 Микросферы мезофазного углерода (MCMB) также являются высококачественным графитовым продуктом.

2.1.3 Аморфный углерод: Включает твердый углерод и мягкий углерод, среди которых твердый углерод, благодаря своей уникальной пористой структуре, считается перспективным материалом для натрий-ионных аккумуляторов и анодов литий-ионных аккумуляторов с быстрой зарядкой.

2.1.4 Углеродные нанотрубки (УНТ) / Графен: Обычно не используются в качестве основного анода, а скорее в качестве проводящей добавки для улучшения проводимости электрода и производительности при высоких скоростях.

2.2 Кремниевые материалы: Широко признаны анодными материалами следующего поколения. Их теоретическая удельная емкость достигает 4200 мАч/г, что более чем в 10 раз превышает емкость графита. Однако огромное объемное расширение (более 300%) приводит к плохому сроку службы, что является основной проблемой для коммерциализации. Композиты кремний-углерод (Si-C) и кремний-кислород (Si-O) в настоящее время являются основным решением.

2.3 Титанат лития (LTO, Li₄Ti₅O₁₂): Известен своей превосходной производительностью при высоких скоростях и сверхдлительным сроком службы, а также практически полным отсутствием образования литиевых дендритов, что обеспечивает чрезвычайно высокую безопасность. Недостатки: низкая удельная энергоемкость и высокая стоимость, что ограничивает его использование в специальных приложениях с высокими требованиями к мощности.

2.4 Литиевый металл: Являясь «святым Граалем» анодных материалов, он теоретически обладает самой высокой удельной емкостью и имеет решающее значение для достижения аккумуляторов с высокой удельной энергоемкостью (таких как литий-серные и твердотельные аккумуляторы). Однако неконтролируемый рост литиевых дендритов представляет серьезную угрозу безопасности. Другие передовые материалы, такие как оловянные материалы, нитриды переходных металлов и различные сплавы, хотя и находятся в стадии разработки, предлагают множество возможностей для будущих технологических прорывов.

III. Электролит

Электролит является «магистралью» для транспорта ионов лития между положительным и отрицательным электродами, определяя ионную проводимость аккумулятора, диапазон рабочих температур и т. д.

3.1 Жидкий электролит (Электролит): Наиболее широко используется в коммерческих литиевых аккумуляторах, он называется «кровью» аккумулятора и состоит в основном из трех частей.

Соль лития: Обеспечивает ионы лития и является основным компонентом. Гексафторфосфат лития (LiPF₆) является наиболее широко используемой солью лития благодаря своим превосходным общим характеристикам. Другие, такие как LiBF₄ и LiFSI, часто используются в качестве добавок для улучшения специфических характеристик.

Органический растворитель: Используется для растворения солей лития. Циклические карбонаты с высокой диэлектрической проницаемостью (такие как EC и PC) и цепные карбонаты с низкой вязкостью (такие как DMC, DEC и EMC) обычно используются в сочетании для оптимизации производительности.

Функциональные добавки: Используются в небольших количествах, но играют решающую роль, такие как пленкообразующие добавки (VC и FEC), огнестойкие добавки и добавки для защиты от перезаряда, для улучшения безопасности аккумулятора и срока службы.

3.2 Твердотельный электролит: Сердцевина всех твердотельных аккумуляторов, теоретически способная полностью решить проблемы безопасности, такие как утечка и возгорание. Он в основном делится на три системы: полимерную, оксидную и сульфидную, но все они в настоящее время сталкиваются с проблемами низкой ионной проводимости и высокого межфазного импеданса.

IV. Сепаратор

Сепаратор представляет собой пористую изоляционную пленку, расположенную между положительным и отрицательным электродами. Его функция заключается в предотвращении прямого контакта и короткого замыкания между двумя электродами, позволяя ионам лития проходить через них. В настоящее время основным является микропористая мембрана из полиолефина, включая полиэтилен (PE), полипропилен (PP) и трехслойные композитные мембраны PP/PE/PP. Для улучшения безопасности и производительности основная пленка часто модифицируется путем нанесения покрытий, например, керамическими материалами (например, оксидом алюминия, бёмитом, для улучшения термостойкости) или полимерами (например, PVDF, арамидом, для улучшения адгезии).

V. Вспомогательные и конструкционные компоненты

Хотя эти материалы не участвуют непосредственно в электрохимических реакциях, они имеют решающее значение для обработки электродов и общей производительности аккумулятора.

5.1 Токосъемник: Используется для переноса активного материала и сбора и проведения тока. Алюминиевая фольга обычно используется для положительного электрода, а медная фольга - для отрицательного электрода. Композитные токосъемники (например, композитные пленки полимер-металл) представляют собой новое направление для повышения безопасности.

5.2 Проводящая добавка: Добавляется в суспензии положительного и отрицательного электродов для создания проводящей сети между частицами активного материала, улучшая электронную проводимость электродов. Обычно используемые материалы включают сажу (например, Super P, ацетиленовый черный, Ketjen black), проводящий графит и углеродные нанотрубки (УНТ).

5.3 Связующее: Надежно прикрепляет активный материал и проводящую добавку к токосъемнику. Суспензия положительного электрода обычно использует PVDF (требующий органического растворителя NMP), в то время как суспензия отрицательного электрода обычно использует водорастворимые связующие, такие как комбинация SBR и CMC.

5.4 Корпус и конструкционные компоненты: Обеспечивают механическую поддержку и герметичность.

Корпус: Распространенные типы включают алюминиевый корпус, стальной корпус и алюминиево-пластиковую пленку (для пакетных аккумуляторов).

Выводы/соединители: Обычно алюминиевые полосы (положительный электрод) и никелевые полосы/никелевые полосы с медным покрытием (отрицательный электрод).

Компоненты безопасности и изоляции: Включают крышки, изоляционные листы, взрывозащитные клапаны, терморезисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) и т. д. для обеспечения безопасности аккумулятора в нештатных условиях.