チタン酸リチウム電池のガス膨張のメカニズムと抑制に関する分析

チタン酸リチウム空間群はFd3mに属し、スピネル構造は、その独自の3次元リチウムイオン拡散チャネルにより、優れた電力特性と高温および低温性能という利点があります。同時に、チタン酸リチウムの結晶構造は、リチウムイオンの埋め込みサイクルにおいて1％未満の非常に安定した体積変化を維持することができ、チタン酸リチウムが重要な負極材料になるための基礎を築きます。

チタン酸リチウム（Li4 Ti5O12一般にLTOとして知られている）空間群はFd3mに属し、スピネル構造は、その独自の3次元リチウムイオン拡散チャネルにより、優れた出力特性と高温および低温性能という利点があります。同時に、チタン酸リチウムの結晶構造は、リチウムイオンの埋め込みサイクルにおいて1％未満の非常に安定した体積変化を維持することができ、チタン酸リチウムが重要な負極材料になるための基礎を築きます。

さらに重要なことに、それは電池の安全上の危険を排除し、最も安全なリチウム電池の負極材料と呼ばれています。チタン酸リチウムの物理的構造はリチウム電池の負極材料として適していますが、その電気化学的特性は何ですか？カーボンネガティブ材料と比較して、チタン酸リチウムは1.55 V vsLi + / Liの高電位、175mAh / gの理論容量、2.4 Vの開回路電圧、および低エネルギー密度と電圧プラットフォームを備えています。

チタン酸リチウム電池のガス膨張メカニズムと抑制の分析

チタン酸リチウム電池には、安全性が高く、充電量が多く、サイクル寿命が長いという利点があります。ただし、チタン酸リチウムを負極として使用すると、充電と放電のサイクル中にバッテリーのガス膨張が深刻になり、高温ではさらに深刻になります。チタン酸リチウム電池のガス膨張の研究は、カーボンコーティングの変更、ハイブリッド、ナノメートルなどを含めて止まることはありませんが、ガス膨張の問題はまだ完全には解決されておらず、チタン酸リチウム電池の市場促進を妨げています。

チタン酸リチウム電池の鼓腸メカニズム

学界は、チタン酸リチウム/ NCMバッテリーがグラファイト-NCMよりも厳しい理由は、チタン酸リチウムがグラファイトネガティブシステムバッテリーのように表面にSEI膜を形成できず、電解質との反応を阻害するためであると考えています。充電および放電のプロセス中、電解質は常にLi4 Ti5O12の表面と直接接触しているため、Li4 Ti5O12材料の表面で電解質が継続的に還元および分解され、ガス膨張の根本原因となる可能性があります。 Li4Ti5O12バッテリーの。

ガスの主成分は、H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8などです。チタン酸リチウムを電解液のみに浸すと、CO2のみが発生します。 NCM材料を使用してバッテリーに調製した後、得られたガスにはH2、CO2、CO、および少量のガス状炭化水素が含まれ、バッテリーとして使用されます。 H2は循環・排出時にのみ発生し、同時に発生するガス中のH2の含有量は50％を超えます。これは、充電および放電プロセス中にH2およびCOガスが生成されることを示しています。

LiPF6の電解液のバランスは次のとおりです。

PF5は炭酸塩を分解しやすい強酸であり、温度が上がるとPF5の量が増えます。 PF5は、電解質が分解してCO2、CO、およびCxHyガスを生成するのを助けます。関連する研究によると、H2は電解質中の微量水から生成されますが、電解質中の水分含有量は一般に20アンペアです。タイムズ; 10〜6前後で、H2生産への寄与は非常に低いです。上海交通大学のWukaiは、実験でバッテリーとしてグラファイト/ NCM111を使用しました。結論は、H2の発生源はGaodianyaの下での炭酸塩の分解であったということでした。

チタン酸リチウム電池の鼓腸抑制

現在、チタン酸リチウム電池のガス膨張を抑制するための3つの主要な解決策があります。 1つ目は、改良された準備方法と表面改質を含む、LTO負極材料の加工改質です。次に、添加剤や溶剤システムなど、LTOの負極に一致する電解質を開発します。第三に、バッテリー技術を向上させます。

（1）原材料の純度を向上させ、製造工程での不純物の導入を回避します。イミュリティ粒子は、電解質の分類を触媒してガスを生成するだけでなく、リチウム電池の性能、サイクル寿命、および安全性を大幅に低下させます。したがって、電池への不純物の混入を可能な限り減らす必要があります。

（2）チタン酸リチウムの表面はカーボンナノ粒子で覆われています。負極LTOによるガスの形成の明らかな理由は、SEI膜の形成がゆっくりと少なくなり、その寿命とともに鼓腸の現象が発生するためです。研究では、チタン酸リチウムと電解質の間の界面の間に分離層を確立すること（チタン酸リチウム（LTO / C）の表面にナノカーボンコーティングを構築するなど）、固体電解質界面（SEI）膜が共コーティング層は、一方で、LTO材料と電解質との接触面積を減らし、ガスの発生を防ぎます。

一方、炭素自体は、LTOの不足を補うためにSEI膜を生成するだけでなく、LTO材料の導電性を高めることもできます。上記の研究成果は、チタン酸リチウム電池のガス生成挙動を解明し、高エネルギーチタン酸リチウムパワーセルの設計と大規模な応用と開発を促進する上で非常に重要です。

（3）電解質の機能を向上させます。新しい電解質の開発では、多くの特許が添加剤を使用してLTOの表面に高密度のSEI膜を形成し、LTOと電解質界面の副反応の発生を抑制する傾向があります。フッ素化炭酸塩やリン酸塩などの特定の電解質添加剤は、正極面での安定したSEI膜の形成を促進し、正極面での金属イオンの溶解を減らし、それによってガス生成を減らします。

膜形成添加剤は、生成されるガスの量を抑制することもできます。添加される膜添加剤は、ホウ酸リチウム塩、Dingerjingまたはadienitrile、R-CO-CH = N2構造化合物（RはC1からC8のアルキルまたはフェニル）、環状です。リン酸エステル、フェニル誘導体、フェニルアセチレン誘導体、LiF添加剤など。これらの皮膜形成添加剤は、LTOの表面にSEI膜を形成するのに役立ち、鼓腸の発生をある程度抑制します。

（4）正極性表面コーティング。酸化アルミニウムなどの安定した化合物を正極面で覆うと、金属イオンの溶解を効果的に抑制することができます。ただし、過度に複雑なコーティングは、リチウムイオンの埋め込みを阻害し、材料の電気化学的特性に影響を与えます。

（5）電池の製造工程を改善する。バッテリーの生産、環境湿度を制御するために、操作プロセスの水の導入。ガスが発生する理由から、空気中の水が正極性物質と反応して炭酸リチウムを生成し、電解質の分解を促進して二酸化炭素を生成することがわかります。さらに、チタン酸リチウム材料自体は強い吸水率を持っています（これはドライチャンバーで操作する必要があります）。負極は水を吸収した後、電解質の可逆分解により生成されたPF5と反応してH2を生成するため、厳密な水管理が不可欠です。

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