Порошковые материалы в литиевых батареях — какие из них вам известны?

Литиевые аккумуляторы состоят в основном из анода, катода, сепаратора, электролита, связующего вещества, проводящего агента, токосъемника и упаковочных материалов. Согласно классификации по форме материала, анод, катод, связующее вещество и проводящий агент делятся на: порошковые материалы В литиевых аккумуляторах. Некоторые твёрдые электролиты представляют собой порошковые материалы, а некоторые модифицированные сепараторы также содержат порошковые материалы.

Положительный электрод

Commercialized positive electrode materials include Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2), and Lithium Iron Phosphate (LiFePO4).

Оксид лития-кобальта (LiCoO2): чёрное твёрдое вещество при комнатной температуре. Это неорганическое соединение, известное своей стабильностью, простотой синтеза, высокими электрохимическими характеристиками и длительным сроком службы. Это первый коммерчески успешный катодный материал для литий-ионных аккумуляторов, используемый в основном в аккумуляторах типа 3C.
Оксид лития и марганца (LiMn2O4): Черно-серый порошок с кубической кристаллической структурой шпинели. Содержит три канала переноса ионов лития, что обеспечивает более быструю диффузию ионов. Это делает его пригодным для использования в литий-ионных аккумуляторах с высокой скоростью заряда.
Тройной положительный материал (LiNixMnyCozO2): Тройной катодный материал, в котором Ni и Mn частично замещают Co в LiCoO2. Он наследует стабильность LiCoO2, высокую обратимую ёмкость LiNiO2 и безопасность LiMnO2. Более низкое содержание Co снижает стоимость, что делает его перспективным катодным материалом.
Литий-железо-фосфат (LiFePO4): Благодаря оливиновой структуре он не содержит дорогостоящих элементов, таких как Co или Ni. Он экономичен и производится из обширного сырья. Он имеет умеренное рабочее напряжение (3,2 В), высокую удельную ёмкость (170 мА·ч/г), большую мощность разряда, возможность быстрой зарядки и длительный срок службы.

Отрицательный электрод

В качестве материалов для отрицательных электродов обычно используются графит, твёрдый углерод, мягкий углерод, титанат лития и материалы на основе кремния. Графит используется наиболее широко, а материалы на основе кремния обладают наибольшим потенциалом.

Графит: Mainly composed of graphite, it has high conductivity, energy density, chemical stability, and low manufacturing costs. It is available in natural and artificial forms.
Твердый углерод: Это углерод, который не графитируется при высоких температурах. Он имеет неупорядоченную внутреннюю кристаллическую структуру и большое межслоевое расстояние, что позволяет накапливать больше заряда, что повышает плотность энергии и срок службы аккумулятора.
Мягкий углерод: Этот материал легко графитизируется при температуре выше 2500 °C. Он обладает высокой степенью упорядоченности и обеспечивает низкое, стабильное напряжение заряда/разряда. Он обладает большой емкостью, высокой эффективностью и хорошей циклируемостью. Его структура зависит от температуры спекания. Мягкие углеродные материалы, полученные при температурах ниже 1000 °C, имеют большое количество дефектов, что обеспечивает большое количество активных центров для хранения лития, что способствует плавному внедрению и извлечению ионов лития.
Титанат литияБелый порошок с высоким напряжением извлечения лития (1,55 В относительно Li/Li+). Он обладает высокой безопасностью и «нулевыми деформациями», что обеспечивает минимальные структурные изменения при введении и извлечении лития. Это обеспечивает неограниченный теоретический ресурс цикла. Поэтому он представляет большую исследовательскую ценность и перспективен для коммерческого применения в качестве материала отрицательного электрода для накопителей энергии и литиевых аккумуляторов.
Материалы на основе кремния: Включает нанокремний и субоксид кремния. Эти материалы используются для изготовления кремний-углеродных или оксидно-кремниевых анодов. Аноды на основе кремния обладают значительно более высокой удельной ёмкостью и плотностью энергии, чем материалы на основе углерода, что делает их наиболее перспективными анодными материалами нового поколения.

Переплеты

Используются такие связующие, как поливинилиденфторид (ПВДФ) и бутадиен-стирольный каучук (БСК). ПВДФ может использоваться как для анода, так и для катода, тогда как БСК обычно используется для анода.

Поливинилиденфторид (ПВДФ): ПВДФ обладает превосходной химической стабильностью и коррозионной стойкостью. Он эффективно противостоит коррозионному воздействию электролитов. Он также обладает хорошими связующими свойствами, механическими характеристиками и технологичностью. Гибкость ПВДФ гарантирует, что активные вещества не будут отслаиваться при расширении и сжатии.
Бутадиен-стирольный каучук (БСК): Бутадиен-стирольный каучук (SBR) широко используется в качестве связующего на водной основе, особенно в анодных связующих, где его применение соответствует 98%. Он обеспечивает прочную адгезию, механическую стабильность и простоту эксплуатации. Он способствует связыванию частиц и улучшает динамику аккумулятора, снижая импеданс и повышая стабильность циклирования.

Проводящие агенты

Conductive agents are used to ensure good charge/discharge performance by collecting microcurrents and directing them to the current collector (aluminum or copper foil). Common conductive agents include carbon black, vapor-grown carbon fibers (VGCF), and carbon nanotubes (CNT).
Угольно черный: аморфный углерод, представляющий собой мелкий рыхлый чёрный порошок. Он получается путём неполного сгорания органических веществ и высокотемпературной обработки для улучшения проводимости и чистоты. Это наиболее распространённый проводящий агент в литиевых аккумуляторах, улучшающий контакт между частицами и образующий проводящую сеть.
Выращенные в паровой фазе углеродные волокна (VGCF): Эти волокна обладают высоким модулем изгиба и низким коэффициентом теплового расширения. Добавление VGCF повышает гибкость и механическую стабильность, что делает их пригодными для долговечных и высокоёмких аккумуляторов, например, используемых в электромобилях.
Углеродные нанотрубки (УНТ): Импеданс углеродных нанотрубок (CNT) составляет всего половину импеданса технического углерода. Низкий импеданс обеспечивает хорошую проводимость, улучшает поляризацию и повышает циклические характеристики. Количество добавляемого технического углерода составляет около 31 TP3T от веса материала положительного электрода, в то время как количество добавляемых CNT составляет всего 0,81 TP3T~1,51 TP3T. Низкое количество добавляемого углерода позволяет сэкономить место для активных материалов, тем самым увеличивая плотность энергии. Однако CNT трудно диспергировать. В настоящее время для их обработки в промышленности обычно используют высокоскоростную сдвиговую обработку, добавление диспергаторов и сверхтонкое измельчение шариков методом электростатического диспергирования.

Твердотельные электролиты

Некоторые твердотельные электролиты также выпускаются в форме порошка:

Дисульфид германия высокой чистоты (GeS2)Белый порошок с высокой ионной проводимостью, химической стабильностью и длительным сроком службы. Чистота может достигать 99,99%.
Оксид лития-лантана-циркония (LLZO): Этот материал обладает превосходной ионной проводимостью (1,5×10-4 См/см) и используется для изготовления твердотельных литиевых аккумуляторов. Его можно синтезировать золь-гель методом, методом низкотемпературного горения, методом микроэмульсии и другими методами.
Оксид лития-лантана-циркония-тантала (LLZTO): Он обладает высокой ионной проводимостью, химической и термической стабильностью. Оптимизация процесса получения и кристаллической структуры позволяет дополнительно улучшить его электрические свойства для удовлетворения потребностей высокопроизводительных твердотельных аккумуляторов.

Другие порошки твердотельных электролитов включают сульфат бария, хлорид серы фосфора лития (высокостабильный сульфид) и сульфид серы фосфора лития германия.

Разделитель аккумуляторов

Традиционные сепараторы обладают низкой стабильностью при высоких температурах, что влияет на безопасность. Для повышения безопасности сепараторы модифицируются путём нанесения порошковых покрытий. Эти модифицированные сепараторы содержат порошковые материалы.

Оксид алюминия (Al2O3)Оксид алюминия широко распространен в природе, обладает превосходной химической инертностью, термической стабильностью и механическими свойствами. Он широко используется в керамических сепараторах для улучшения общих характеристик полиолефиновых сепараторов. Кроме того, это неорганический порошок, используемый в больших количествах для модификации мембран литиевых аккумуляторов.
Бёмит (AlOOH): Бёмит, также известный как моногидрат оксида алюминия, представляет собой разновидность оксида алюминия с кристаллизационной водой. Он является незаменимым прекурсором оксида алюминия. Производство AlOOH проще, чем α-Al2O3. В промышленности пульпу бёмита получают гидротермальным методом гиббсита, а затем фильтрацией, сушкой и измельчением получают ультрадисперсный порошок AlOOH.
Диоксид титана (TiO2): TiO2 нетоксичен, стабилен и легко контролируется в процессе приготовления. Он повышает термическую стабильность сепаратора, смачиваемость электролитом и снижает сопротивление интерфейса, тем самым улучшая перенос лития-ионов. Он является хорошим материалом для модификации органических полимерных сепараторов.
Диоксид кремния (SiO2)SiO2 — распространённый неорганический наполнитель, используемый для модификации полимеров. Его большая площадь поверхности и гидроксильные группы (Si-OH) улучшают смачиваемость сепаратора, ускоряют перенос ионов лития и улучшают электрохимические характеристики. SiO2 также повышает механическую прочность сепаратора и предотвращает рост дендритов, снижая тепловые замыкания. В отличие от Al2O3, TiO2 и AlOOH, SiO2 легче контролировать и модифицировать.

Эпический порошок

Epic Powder specializes in providing advanced grinding solutions that are crucial for the production of powder materials in lithium batteries. With our state-of-the-art equipment, such as jet mills, ball mills, and air classifiers, we ensure precise control over particle size and distribution, optimizing the performance of critical battery materials like cathodes, anodes, and conductive agents. Our cutting-edge technologies not only enhance the efficiency of battery manufacturing but also support the development of next-generation solid-state and high-performance batteries. Partnering with Epic Powder means unlocking the potential of your powder materials in lithium batteries for superior energy storage solutions.