リチウムイオン電池の現在の開発の分析

1、リチウム電気の現在の業界でより認識されている開発ラインは何ですか？

鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケルカドミウム電池からリン酸鉄リチウム電池、そして現在主流の3元電池に至るまで、研究開発担当者とエンジニアの絶え間ない努力により、プロモーションが行われるたびに努力の生成。リチウムイオン電池の安全性、エネルギー密度、比率性能の向上に基づき、電池開発の現状と合わせて、今後のリチウムイオン電池の開発ルートをまとめました。

2020年には、主にNCMとNCAの複合カソード材料であるマルチカチオン電極であり、負極は主にCと一部のシリコン炭素錯体です。エネルギー密度は約300-350WH / kgです。

2020年から2025年までは、全固体リチウムイオン電池と、リチウム金属の負極またはシリコンカーボンの負極が主流です。エネルギー密度は400wh / kgですが、ナトリウムイオン電池が開発されています。ナトリウムはリチウムよりも安価ですが、リチウムイオンよりも大きく、液体の記憶があります。

2025年以降、リチウム硫黄電池が主に使用されています-＆GT;リチウム金属電池-＆GT; ＆GT;リチウム空気電池は主に開発されています。そのような電池はより高いエネルギー密度を持ち、材料の望ましさはますます便利になっています。しかし、現在はさらに困難があり、克服し続ける必要があります。リチウム硫黄電池は、電池の正極として硫黄を使用しています。負のリチウム電池としてのリチウム。硫黄元素は地球の埋蔵量が豊富で、低価格で環境にやさしいという特徴があります。硫黄を正極材料として使用するリチウム硫黄電池は、容量および電池理論よりも材料理論が高く、エネルギーはそれぞれ1675 mAh / gおよび2600Wh / kgに達し、商業的に広く使用されている三元電池よりもはるかに高くなっています。

そして硫黄は環境に優しい要素であり、基本的に環境への汚染がないことは非常に有望なリチウム電池です。グラファイトをリチウム金属箔に置き換えるリチウム金属電池は、より多くのイオンを含む可能性がありますが、通常、リチウム金属箔は電解質と負の反応を示し、電解質を過熱させ、さらには燃焼を引き起こします。この技術は、現在のリチウム電池を減らすことができます。サイズが半分になります。理論的には、バッテリーの容量が変わらない場合、リチウム金属バッテリーを搭載した電気自動車の範囲は2倍になります。リチウム空気電池は、リチウムをアノードとして使用し、空気中の酸素をカソード反応物として使用するバッテリーです。リチウム空気電池は、カソード（主に多孔質炭素）が非常に軽いため、リチウムイオン電池よりもエネルギー密度が高く、酸素は電池に蓄えられることなく環境から得られます。理論的には、酸素はカソード反応物として制限されません。バッテリーの容量はリチウム電極のみに依存し、その比エネルギーは5.21 kWh / kg（酸素品質を含む）または11.4 kWh / kg（酸素を除く）です。

2、エネルギーキャリアの基本的な要件は何ですか？

（1）原子の相対質量が小さい。

（2）電子を獲得および喪失する能力は強い。

（3）電子送金の割合を高くする必要があります。

3、バッテリーの主な指標は何ですか？

（1）容量;

（2）エネルギー密度;

（3）充放電比;

（4）電圧;

（5）平均余命;

（6）内部抵抗;

（7）自己放電;

（8）動作温度範囲。

4、ポジティブマテリアル（LFP、NCM、LiCoなど）の特性は何ですか？

（1）より高い酸化還元反応電位、高い出力電圧。

（2）高いリチウム含有量と高いエネルギー密度。

（3）化学反応における構造安定性;

（4）高導電率;

（5）化学的安定性と熱安定性が良好で、分解や反応が容易ではありません。

（6）安い価格;

（7）製造工程は比較的単純で、大規模生産に適しています。

（8）環境に優しく低公害。

5、ネガティブ材料（Li、C、AL、チタン酸リチウムなど）の特徴は何ですか？

（1）埋め込みを容易にする層状構造またはトンネル構造。

（2）安定した構造、充放電の良好な可逆性、およびサイクル性能。

（3）できるだけ多くのリチウムイオンが挿入および埋め込み解除されます。

（4）低い酸化還元電位;

（5）最初の不可逆放電容量が低い。

（6）電解質溶媒との良好な適合性。

（7）低価格で材料に簡単にアクセスできます。

（8）安全性が高い。

（9）環境にやさしい。

6.バッテリーのエネルギー密度を上げる方法は何ですか？

（1）正と負の活性物質の比率を増やす。

（2）正および負の極性物質の比容量（グラム単位）を増やします。

（3）体重を減らし、スリムにします。

7、リチウムイオン電池の充放電比を改善するにはどうすればよいですか？

（1）正極と負極のリチウムイオン拡散能力を向上させる。

（2）電解質のイオン伝導度を改善する。

（3）バッテリーの内部抵抗の減少（オーム内部抵抗と分極内部抵抗）。

8.リチウムイオン電池のサイクル寿命に影響を与える要因は何ですか？

（1）負の金属リチウム堆積;

（2）正極性物質の分解;

（3）SEIの形成と再消費。

（4）電解質の影響は、主に次のように現れます。総量が減少し、不純物が存在し、水が浸透します。

（5）横隔膜の閉塞または破壊。

（6）正と負の材料が落ちる。

（7）外部使用要因。

9、リチウムイオン電池の内部物質反応分解温度？

（1）SEI膜分解、電解質発熱反応、130°C;

（2）電解質分解、熱生成、130°C-250°C;

（3）正の物質分解により、180°C〜500°Cの大量のガスと酸素が生成されます。

（4）バインダーと負極性活性物質の反応、240°C-290°C。

一般に、過充電、高出力放電、内部短絡、外部短絡、振動、衝突、落下、衝撃などにより、短絡を引き起こし、大量の熱とガスを生成するプロセスです。

将来の最も有望なリチウム電池材料のいくつか

（1）シリコン-炭素複合負極材料、高エネルギー密度、工業化400 WH / kg以上、ただし深刻な体積膨張、循環不良。

（2）チタン酸リチウム、10,000サイクル以上、体積変化1％、デンドライト形成なし、優れた安定性、急速充電、ただし高価格、低エネルギー密度、約170 WH / kg;

（3）カソード材料および正の添加剤に使用できるグラフェンは、優れた導電性、高速イオン移動、不十分な最初の効果、約65％、不十分な循環、および高価格を備えています。

（4）エネルギー密度が約900wh / kgのリチウムに富むマンガン電池は、原材料が豊富ですが、一次効果が低く、安全性が低く、循環が悪く、倍率が低くなります。

（5）NCM三元材料、一般に250 Wh / kg、シリカ負極付き、約350 Wh / kg;

（6）CNT、カーボンナノチューブ、優れた電気伝導率、優れた熱伝導率。

（7）ダイヤフラム、地下室+ PVDF +ボンシをコーティングし、収縮性に対する膜の耐性を改善し、熱伝導を低くし、すべての熱が制御不能になるのを防ぎます。

（8）高電圧電解質、これは言うまでもなく、エネルギー材料のエネルギー密度とともに、電圧もそれに応じて増加します。

（9）環境保護と健康のための水性バインダー。

プレリチウム化。これについて話す前に、セミバッテリー（正の極性材料、負の金属リチウムタブレット）とフルバッテリーの最初の効果について話しましょう。

これは、コバルト酸リチウムハーフバッテリーの最初の効果です。バッテリー全体とバッテリーの半分が同じではないことを理解していない場合は、これがポジティブマテリアルの最初の効果であることを理解しています。

セミバッテリーの最初の充電容量は、最初の放電容量よりもわずかに高くなります。つまり、充電時に正極から取り外され、放電時に100％ではないリチウムイオンが正極に戻ります。最初の放電量/最初の充電容量は、このセミバッテリーの最初の効率です。

三元の最初の効率は最も低く、一般的に85〜88％です。コバルト酸リチウムは2番目で、一般的に94〜96％です。リン酸鉄リチウムは、リン酸コバルトリチウムよりもわずかに高く、95％から97％です。カソード材料の最初の効果は、主に、埋め込み解除後のカソード材料の構造の変化によるものです。十分なリチウム配置がなく、リチウムイオンは最初の放電で戻ることができません。

グラファイトバッテリーのハーフバッテリーと正極の違いは、グラファイトが正極であり、金属リチウムシートが負極であるということです。したがって、グラファイトの最初の効果は、正極材料の効果よりも大幅に低くなります。主な理由は、リチウムイオンが電解質を通過することです。 SEI膜はグラファイトの表面に形成されます。リチウムイオンを多く消費します。 SEIフィルム専用のリチウムイオンは負極に戻れません。

バッテリー全体の最初の効率は、バッテリーに液体が注入された後、変換（充電のみ）と容量の分割（充電と放電を含む）のプロセスを経る必要があります。一般に、容量を変換および分割する最初のステップは、充電プロセスです。 2つの容量の合計は、バッテリー全体が初めて容量で満たされるときです。容量分離ステップの2番目のステップは、通常、フル状態から空気に放電することです。したがって、このステップ容量は、フルバッテリーの放電容量です。この2つを組み合わせると、バッテリー全体の最初の効率のアルゴリズムが得られます。

フルバッテリー一次効率=容量二段放電容量/（充填容量+容量一段充填容量に換算）

日常生活のずれを減らすために、2番目の完全放電容量をバッテリー容量とします。

要約すると、結論を出すことができます。電池の正極が初期効率88％の三元材料を使用している場合、負極は初期効率92％のグラファイト材料を使用します。このフルバッテリーの場合、最初の効率は88％です。つまり、正極効果が88％で、負極効果が92％の場合、フルバッテリーの最初の効果は88％であり、これは低い方の正の値と同じです。ポール。

もちろん、最初の効果に対する電池材料の影響に加えて、電極材料の比表面積も重要な要素です。グラファイトの比表面積が大きいほど、形成されるSEI膜が大きくなり、より多くのリチウムイオンを消費する必要があり、最初の効果は低くなります。また、バッテリーの充電システムへの変換にも関係しており、適切なSOCを入力すると、バッテリーの最初の効果にもある程度影響します。

フルバッテリーの場合、形成中に負極の界面に形成されたSEI膜は、正極からデインターカレートされたリチウムイオンを消費し、バッテリーの容量を減らします。正極材料の外側からリチウム源を見つけることができれば、SEI膜の形成は外部リチウム源のリチウムイオンを消費するので、正極デインターカレーションのリチウムイオンは形成プロセスで無駄になりません。そして最後に、フルバッテリーを改善することができます。容量。外部リチウム源を提供するこのプロセスは、予備リチウム化です。

主な予備リチウム化法についてお話しする記事を借りますが、私が見たのはネガティブスプレーリチウム粉末法です。

1、事前にメソッドに負極

負極を負極に分離し、負極がSEI膜を形成した後、正極と組み立てることができます。これにより、極性リチウムイオンのペアの損失を回避し、バッテリー全体の最初の効率と容量を大幅に向上させることができます。

ネガティブプレートとリチウムプレートは電解液に浸され、外部の電気接続で充電されます。このようにして、変換時に消費されるリチウムイオンが、正極ではなく金属リチウムプレートに由来することを保証することができる。負極が完成したら、正極と組み付けます。 SEI膜への負極の形成により正極のリチウムイオンが失われないようにコアを再度変換する必要がなく、容量が大幅に増加します。

この事前リチウム化法の利点は、SEI膜の形成効果がバッテリー全体の形成効果と同様であることを保証しながら、最大のシミュレーションでプロセスに正規化できることです。ただし、負極性フィルムの早期変換と正極性および負極性フィルムの組み立てという2つのプロセスは、操作が非常に困難です。

2、負極溶射リチウム粉末法

負極錠剤だけではリチウムを操作することが難しいため、リチウム粉末を負極錠剤に直接噴霧するリチウム補給法が考えられます。まず、安定した金属リチウム粉末粒子が生成されます。粒子の内層は金属リチウムであり、外層はリチウムイオン伝導性と電子伝導性に優れた保護層です。予備リチウム化プロセスでは、リチウム粉末を最初に有機溶媒に分散させ、次に分散体を負極に噴霧し、次に負極の残留有機溶媒を乾燥させて予備リチウム化した負極を得る。その後の組み立て作業は、通常のプロセスと一致しています。

それが形成されると、負極に噴霧されたリチウム粉末がSEI膜の形成に消費され、正極から除去されたリチウムイオンの保持を最大化し、バッテリー全体の容量を増加させます。

この事前リチウム化法を採用することの不利な点は、安全性を保証することが難しく、材料と設備を改革するのに費用がかかることです。

3、負の3層電極法

機器とプロセスの制限により、予備リチウム化のための高コストの変換は、バッテリープラントの優先事項ではありません。電池工場でおなじみの方法で予備リチウム化を完了できれば、一般化は大幅に強化されます。下記の3層電極方式により、電池工場の運営が容易になります。三層電極法の中核は銅箔の加工であり、

通常の銅箔と比較して、3層電極法の銅箔は後期変態に必要な金属リチウム粉末でコーティングされています。リチウム粉末を空気との反応から保護するために、保護層の層が適用されます。負極は保護層に直接塗装されています。

コアが注入を完了すると、保護層が電解液に溶解し、金属リチウムが負極に接触し、SEI膜を形成するために消費されるリチウムイオンが金属リチウム粉末によって補われます。この方法は、電池工場の加工条件に厳しい要件はありませんが、電極の受け入れロール、ローラー圧力、切断などの位置での保護層の安定性は、電極材料の開発にとって大きな課題です。金属リチウム粉末は、消失すると負極性になります。接着の保証も非常に困難です。

4、非常にリチウム材料法

会社で働く小さなパートナーは、実験室の条件で働くものでさえ、会社の大規模生産に移行するのが難しい可能性があることを学んだに違いありません。設備の改革費用、材料の大量投入費用、および処理環境の管理費用は、新しい技術では促進できない致命的な傷害になる可能性があります。リチウム電気技術の場合、機器は基本的に成熟した産業であり、企業が推奨するリチウム化前の計画は、多くの現場での変更なしに直接促進する方法、またはそれを採用する方法です。リチウム材料法は非常に豊富で、電池工場のニーズを満たしています。

いわゆるポジティブリチウム法は、材料として簡単に理解することができます。それが形成されるとき、彼女の正極によって放出されるリチウムイオンの数は、現在使用されている材料によって放出されることができるリチウムイオンの数の数倍である。負極効果が正極よりも低い場合、負極が形成されたときに失われるリチウムイオンが多すぎて、放電後に正極の有効空間をリチウムイオンで満たすことができず、結果として正極性リチウム空間の浪費。少量の高グラムのリチウムに富む材料が正極に追加される場合、これは、SEI膜の形成のためにより多くのリチウムイオンを提供することができます。リチウムに富む材料が放電中に再埋め込みできないことを心配する必要はありません（リチウムに富む材料によって提供されるリチウムイオンは、変換時に完全に消費されるため）。

上記のさまざまな予備リチウム化方法はすべて、正の最初の効果よりも負の最初の効果が低いフルセル電池を対象としています。完全なバッテリーの事前リチウム化の後、初めて最大効率が正の材料の半バッテリーのレベルに達することができるだけです。正の最初の効果が低いバッテリーの場合、上記の方法は基本的に無力です。これは、現時点では、正の充電後にリチウムを入れる十分なスペースがなくなるため、バッテリー全体の最初の効果が制限されるためです。リチウムが外界に充填されていても、正極に埋め込むことができないため、効果はありません。

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