安全性と大容量電極は、リチウム電池のブレークスルーの最優先事項です

現在、リチウム電池技術の当面の目標は、高ニッケル三元正極とシリコンカーボン負極を介して300wh / kgを達成することであると業界では一般的に信じられています。中期（2025）の目標は、リチウムマンガンリッチ/大容量si-c負極に基づいて400wh / kgのモノマーを達成することです。将来的には、リチウム硫黄電池とリチウム空電池が開発され、500wh / kgのモノマー比エネルギーが達成されます。

「リチウム硫黄/リチウム空電池がパワー電池の応用見通しを持たない理由」の記事で、武漢大学のai xinping教授は、短期および中期目標の実現可能性を認識し、リチウム硫黄の理由を詳細に説明しました。 /リチウム空バッテリーには、パワーバッテリーのアプリケーションの見通しがありません。 「リチウム電池コア材料の革新、道はどこにあるのか？」この論文では、次世代リチウム電気材料のソリューションについても説明します。

しかし実際には、いくつかのコア材料の革新に加えて、リチウム電池の開発には多くの技術的な問題があります。バッテリーの安全性の問題、高負荷電極の設計技術など。

1.バッテリーの安全性。

2016年、300Wh / kgのバッテリープロジェクトの開発に着手した3つのユニットは、バッテリーの安全性に関する評価要件を満たしていませんでした。ただし、2020年に300Wh / kgのバッテリーを車両に搭載できるかどうかは、実際にはパフォーマンスの問題ではなく、安全性の問題です。

それらの中で、正極の分解と発熱は、バッテリーの熱の暴走の重要な誘因です。 3つの原料を例にとると、高ニッケル三元または一般三元に関係なく、熱安定性はリン酸鉄リチウムよりもはるかに悪く、熱放出が大きいだけでなく、分解温度も低いため、私たちの将来のバッテリーの安全性の問題はより深刻になるでしょう。もちろん、安全性の問題を解決するために、材料、モノマー、システムの3つの側面から、オールラウンドな作業を行います。

Ai xinpingは、ソリューション全体のセキュリティから、マテリアルが基本であり、どのマテリアルがどの種類のセキュリティを決定すると考えています。モノマーが鍵であり、良いものと悪いものはモノマーによって決定されます。このシステムは安全装置であり、リチウムイオンモノマーは熱暴走を起こし、他のすべてを引き起こすことはありません。

ここでは、モノマーレベルのいくつかのソリューションについてのみ説明します。

最初のアイデアは、バッテリーの自励式熱保護技術を開発することです。

リチウム電池には温度に敏感な特性がなく、高温は暴走熱を引き起こす可能性があります。高温で電子とイオンの伝達を効果的に遮断できる温度に敏感な材料がバッテリーにある場合、バッテリーはそれ以上の温度上昇を避けるために乱用条件下でその反応を自動的にシャットダウンします。

これを行う最も簡単な方法は、バッテリーにPTC材料を使用して、温度感度を実現することです。 PTC材料は多くの分野で使用されていますが、電池では使用されていません。 PTC材料は、室温での良好なコンダクタンスを特徴としています。ある転移温度に達すると、導体から絶縁体への抵抗が急激に上昇し、電極からの電子の伝達が遮断されます。

いくつかの導電性ポリマーはPTC効果があり、可溶性であることがわかった。この材料で非常に薄いコーティングを作成できます。たとえば、ポリマーであるP3OTは、30〜80度で比較的高い導電率を示しますが、90〜110度ですぐに3桁変化します。コーティングは1ミクロンおよび600ナノメートル未満であり、バッテリーのエネルギー密度に影響を与えません。この材料は120度で熱閉鎖特性を示し、過充電、ホットボックス、鍼治療などの条件下でのバッテリーの安全性を大幅に向上させます。

さらに、ダイヤフラムの熱閉鎖も実行可能なオプションです。既存の3層ダイヤフラムにはサーマルシャットオフ機能があります。栓塞子の温度がPEの融点によって決定される通常のダイヤフラムは約135度です。融点はPPの融点約165度で決まります。閉塞具の温度が高すぎるため、熱慣性により、熱閉鎖後もバッテリーの温度が165度まで上昇し続け、ダイヤフラムが溶けてバッテリーが短絡します。したがって、従来のダイヤフラムの熱保護効果は制限されます。

プラスチックの微細孔の層がダイヤフラムの表面に適用される場合、表面のミクロスフェア層は、ミクロスフェアの融点の温度に達すると溶融します。ボールが溶けてダイヤフラムの穴を塞いだ。その結果、ミクロスフェアが面している電極の表面の穴が塞がれ、驚くべき結果が得られます。イオン輸送が遮断されると、バッテリーの反応が停止し、バッテリーは安全になります。

安全性の問題を解決する2つ目の方法は、全固体電池を開発することです。

実際、全固体電池は、バルクエネルギー密度の増加という点で非常に有望です。バッテリー密度が増加するにつれて、体積エネルギー密度は乗用車にとってますます重要になります。第57回日本の電池会議からのフィードバックによると、韓国と日本のいくつかの研究機関が全固体電池の研究を行っており、中国のATLなどのいくつかの大手電池会社もこの分野の研究を行っています。

すべての固体および液体と比較して、主な利点は高い安全性です。もう1つの特徴は、モジュールとシステムのエネルギー密度の向上につながる内部直列を実現することです。ただし、界面応力が大きく、安定性が悪い。固体電解質は活物質粒子と完全に接触している必要があります。そうでないと、リチウムイオンの透過が実現できません。ただし、電極材料は、グラファイトであろうと三元材料であろうと、充電および放電中に体積が変化します。体積変化により固体/固体の分離が起こると、リチウムイオンの伝導が遮断され、電池の性能が急激に低下します。

したがって、全固体電池の開発全体の優先事項の1つは、固体電解質の選択です。第二に、固体/固体界面構築技術と安定化技術、トリックがあります。純粋な固体電解質ができない場合、最良の方法は無機とポリマーのハイブリッドです。第三に、生産技術と特殊設備の開発。固体電池は確かに私たちが今日行っているのと同じ方法で作られていません。

2.高負荷電極の設計技術。

エネルギー密度の増加に伴い、電極設計の問題はより深刻になります。バッテリー内の活物質の割合は、バッテリーの比エネルギーに影響を与える重要な要素です。同じ正および負の材料、同じグラム容量、バッテリーの活物質質量の割合が比較的小さい場合、バッテリーのエネルギー密度は低くなります。したがって、エネルギー密度を高めるには、同じ重量のバッテリーからできるだけ多くの活物質を充填するようにしてください。より活物質は、補助材料、還元する銅箔、還元するアルミ箔でなければなりません。実際、最も重要なことは、電極を厚くすることであり、電極を厚くし、流体を収集し、ダイヤフラムの量も減らします。

しかし、リチウムイオン電極を厚くすることはできず、厚くすると電極表面の分極が大きくなり、厚さ方向の電極の利用率が低下し、リチウムの分離などの問題が発生します。充電プロセスにおける負極と正極の分解。エネルギー密度を上げるという点では、うまくいけば厚いほど良いです。しかし、分極理論は、薄いほど良いことを示しています。 100wh / kgのモノマーなどのエネルギー密度の増加に伴い、300wh / kgになります。これは、単位重量あたりの材料が流れる電流が同期して増加することを意味します。そのため、将来の高エネルギー密度電池の電力性能を維持することは非常に困難であり、高負荷の電極設計技術がますます重要になっています。

この矛盾を解決する方法があります。膜に近づくほど、液体の電流が大きくなり、その電流が外部電流になります。プレートの厚さの方向に沿って、液相電流はゆっくりと減少し、固相電流は徐々に増加します。したがって、ダイヤフラム電極に近いほど多孔度を高くする必要があり、電極の極性流体に近いほど電極の多孔度を低くすることができます。したがって、高いエネルギー密度と電力性能の両方を確保するには、勾配細孔分布を持つ電極を設計する必要があります。新しい材料の適用と電池のエネルギー密度の改善に伴い、勾配多孔性電極の設計がますます重要になっています。試行錯誤ではなく、どの程度の勾配については、分極モデルを構築することは非常に困難です。

最後に、武漢大学の習近平教授の概要：

1）リチウムイオン電池は、シリコン負極の低サイクルクーロン効率とリチウムマンガンリッチベースの電圧減衰の問題を解決できるパワーバッテリー開発の焦点であり、特定の高度なリチウムイオンパワーバッテリーの開発が期待されています。 400wh / kgを超えるエネルギー。

2）長期的には、革新的なリチウムイオン電池は、リチウム硫黄やリチウム空気よりも実現可能です。陰イオン電荷補償メカニズムに基づく大容量のリチウムリッチアノードの開発により、500wh / kgを超える比エネルギーを持つパワーバッテリーを開発できます。

3）安全性は、高比エネルギーのバッテリー負荷アプリケーションの見通しを決定します。自発的熱制御技術と全固体電池の開発は実行可能な解決策であり、強化する必要があります。

4）高負荷電極は、バッテリーの高い比エネルギーを実現するための基礎です。新しい分極端によると、勾配多孔性電極の開発は、高比エネルギー電池の開発にとって重要な役割と重要性を持っています。

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