Anwendung der Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien

Anwendung der Nanotechnologie in Lithium-Ionen-Batterien

25. Februar 2020

Lithium-Ionen-Akku, als hocheffiziente Energiespeicherkomponenten, sind im Bereich der Unterhaltungselektronik weit verbreitet. Lithium-Ionen-Batterien wurden in Mobiltelefonen und Laptops verwendet. Lithium-Ionen-Batterien haben dank ihrer ultrahohen Energiespeicherdichte so brillante Ergebnisse erzielt. Und gute Sicherheitsleistung. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wurden auch die Energiedichte und Leistungsdichte von Lithium-Ionen-Batterien kontinuierlich verbessert, wozu die Nanotechnologie einen unauslöschlichen Beitrag geleistet hat. Da LiFePO4 eine schlechte Leitfähigkeit aufweist, haben die Menschen es zu Nanopartikeln verarbeitet, um seine Leitfähigkeit zu verbessern, was die elektrochemische Leistung von LiFePO4 erheblich verbessert. Darüber hinaus ist die Silizium-Negativelektrode auch ein Nutznießer der Nanotechnologie. Nanosiliziumpartikel können die Volumenausdehnung von Si während der Lithiuminterkalation gut unterdrücken und die Zyklusleistung von Si-Materialien verbessern.

Kathodenmaterial
1.LiFePO4 Material
LiFePO4-Material hat eine gute thermische Stabilität und niedrige Kosten. Aufgrund der einzigartigen kovalenten Bindungsstruktur im LiFePO4-Material ist die elektronische Leitfähigkeit des LFP-Materials sehr gering, was seine hohe Lade- und Entladeleistung einschränkt. Dazu werden LFP-Materialien zu Nanopartikeln verarbeitet und mit Materialien wie leitfähigen Materialien, leitfähigen Polymeren und Metallen beschichtet. Darüber hinaus kann durch den Einbau einer nicht-stöchiometrischen Festlösungsdotierungsmethode in die Nano-LFP-Partikel die elektronische Leitfähigkeit der LFP-Nanopartikel um 108 erhöht werden, so dass das LFP-Material innerhalb von 3 Minuten geladen und entladen werden kann. Dies ist besonders wichtig für Elektrofahrzeuge.

2.Hemmung der Zersetzung von LiMn2O4-Material
LMO-Materialien haben dreidimensionale Li + Diffusionskanäle und haben daher einen hohen Ionendiffusionskoeffizienten. Mn3 + wird jedoch in einem niedrigen SoC-Zustand gebildet. Aufgrund der Existenz des Jonh-Teller-Effekts ist die LMO-Struktur instabil. Ein Teil des Mn-Elements wird im Elektrolyten gelöst und schließlich auf der Oberfläche der Negativelektrode abgeschieden, wodurch die Struktur des SEI-Films zerstört wird. Einige kostengünstige Metallionen der Hauptgruppe können im LMO hinzugefügt werden, um einen Teil von Mn zu ersetzen, wodurch der Valenzzustand des Mn-Elements erhöht und Mn3 + in einem niedrigen SoC reduziert wird. Die Oberfläche der LMO-Materialpartikel kann auch mit einer Schicht aus Oxiden und Fluoriden mit einer Dicke von 10-20 nm beschichtet werden.

3. Hemmung der chemischen Aktivität von NMC
Die spezifische Kapazität von NMC-Materialien, insbesondere von NMC-Materialien mit hohem Nickelgehalt, kann bis zu 200 mAh / g oder mehr betragen und sie haben eine sehr gute Zyklusleistung. Das NMC-Material ist jedoch extrem anfällig für die Oxidation des Elektrolyten im geladenen Zustand. Um die Reaktivität des NMC-Materials mit hohem Nickelgehalt und des Elektrolyten zu unterdrücken, wird das Material mit Nanopartikeln beschichtet, um einen direkten Kontakt zwischen den Materialpartikeln und dem Elektrolyten zu vermeiden. Verbesserte die Lebensdauer des Materials erheblich. Darüber hinaus sind Nanopartikel mit Kern-Hüllen-Struktur auch eine effektive Methode, um die Reaktivität zu reduzieren. Die hohe Mn-Schale hat eine gute Stabilität, aber die Kapazität ist niedrig und die hohe Nickelkernkapazität ist hoch, aber die Reaktivität ist groß.

Anodenmaterial
1.Schutz des Graphitmaterials
Graphitmaterial hat eine niedrige Lithium-Einfügespannung, die sich sehr gut als negatives Elektrodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien eignet. Der lithiumdotierte Graphit hat eine starke Reaktivität und reagiert mit organischen Elektrolyten, wodurch die Graphitschicht abfällt und der Elektrolyt sich zersetzt. Obwohl die SEI-Folie die Zersetzung des Elektrolyten unterdrücken kann, ist die SEI-Folie nicht zu 100% resistent gegen die graphitnegative Elektrode. Formularschutz. Gängige Graphit-Oberflächenschutzverfahren umfassen die Oberflächenoxidation und die Nanobeschichtungstechnologie.

Nanobeschichtungstechnologien umfassen drei Kategorien: amorpher Kohlenstoff, Metalle und Metalloxide. Unter ihnen wird amorpher Kohlenstoff hauptsächlich durch eine vakuumchemische Abscheidung CVD-Methode erhalten, die kostengünstig und für die großtechnische Produktion geeignet ist. Metall- und Metalloxid-Nanobeschichtungen werden hauptsächlich durch nasschemische Methoden erhalten, die Graphit gut schützen und die Elektrolytzersetzung verhindern können.

2. Verbesserung der Ratenleistung von Lithiumtitanat-LTO- und TiO2-Materialien
Das LTO-Material hat eine hohe Sicherheit, während der Li-Interkalation und -Deinterkalation wird keine Spannung erzeugt, und das Lithium-Interkalationspotential ist hoch, was keine Zersetzung des Elektrolyten verursacht. Es ist ein sehr ausgezeichnetes Anodenmaterial. LTO-Materialien haben jedoch eine geringe spezifische Kapazität und eine geringe elektronische und ionische Leitfähigkeit. Gegenwärtig verwendet die Nanotechnologie hauptsächlich Partikelnanotechnologie, Nanobeschichtungstechnologie und LTO-Nanomaterialien und leitfähige Materialien Verbundanwendungen auf LTO. Die Nanoisierung von LTO-Materialien kann den Diffusionsabstand von Li + effektiv reduzieren, die Kontaktfläche mit dem Elektrolyten vergrößern, den Ladungsaustausch stärken und die Ratenleistung verbessern.

3. Erhöhen Sie die Energiedichte der Siliziumanode
Die theoretische spezifische Kapazität von Si-Material erreicht 3572mAh / g, was viel höher ist als die von Graphitmaterial. Si hat jedoch eine Volumenausdehnung von 300% während des Prozesses der Lithiuminterkalation und Delithiation, was zu Partikelbruch und aktivem Materialabwurf führt. Das Si-Material wird zu Nanopartikeln verarbeitet, um die mechanische Belastung durch die Ausdehnung der Si-Partikel zu verringern.

Li-S-Batterien haben eine hohe Energiedichte und niedrige Kosten und sind sehr vielversprechende Energiespeicherbatterien der nächsten Generation. Die Hauptprobleme, mit denen Li-S-Batterien derzeit konfrontiert sind, sind jedoch die geringe Leitfähigkeit von S und das Problem der Auflösung von Lithium-Interkalationsprodukten. Durch die Compoundierung von S mit porösen Hohlkohlenstoff- oder Metalloxid-Nanopartikeln kann die Stabilität von S deutlich verbessert und die Zyklenleistung der Elektrode verbessert werden. Darüber hinaus kann die Compoundierung von S- und Graphenmaterialien auch die Zyklenleistung von S-negativen Elektroden deutlich verbessern.