固体リチウム電池の進歩は何ですか？

従来の有機液体電解質と固体電解質を置き換えたすべての固体リチウムイオン電池は、電池のセキュリティ問題を根本的に解決することが期待されており、理想的な化学動力電気自動車と大規模エネルギー貯蔵です。大容量と長寿命を実現し、すべての固体リチウムイオン電池の実用化を推進するためには、高い室温伝導率と電気化学的安定性の準備を含む、主要材料の開発と性能最適化の電池が緊急に必要とされています。固体電解質の、固体リチウムイオン電池電極材料の高エネルギー全体で使用され、電極/固体電解質界面の適合性の改善。

全固体電池が導入されました

従来のリチウムイオン電池は、過充電、異常状態での内部短絡、電池の容易な発熱、電解質の鼓腸、自然燃焼、爆発などの有機液体電解質を使用しており、重大なセキュリティの隠れた危険があります。1950年代に開発されたすべての固体状態固体電解質をベースにしたリチウム電池は、固体電解質を使用しているため、可燃性の揮発性成分を含まず、煙、火災、その他の安全上の懸念から漏れの原因となるセルを排除します。エネルギー密度については、中国、米国、日本政府は、2020年に開発された400〜500 wh / kgのプロトタイプデバイスが、この目標を達成するために2025年から2030年までの大量生産を実現することを望んでおり、現在最も可能性が高いと認識されているのはリチウム金属アノードの使用、およびリチウム金属は従来の液体リチウムイオン電池デンドライトに存在し、粉砕、SEI（固体電解質界面膜）は安定していません、サーフィンエース副反応など多くの技術的課題があり、固体電解質と金属リチウムの相溶性により、リチウムをネガとして使用することが可能になり、エネルギー密度の大幅な上昇を実現します。

さまざまな種類の電解質とリチウムイオン電池システムの特性の比較

固体電解質のレビュー

固体電池の場合、固体電極は他の電池システムとは異なるコアコンポーネントであり、固体電極は理想的な動作温度範囲（特に室温）で高いリチウムイオン伝導性を維持する必要があります。無視できるか、粒子境界インピーダンスがありません。電極材料の熱膨張係数;バッテリーの充放電プロセス、良好な化学的安定性を維持するためのアノード電極材料、特にリチウム金属またはリチウム合金アノード;電気化学的広い口幅、高い破壊電圧;吸湿しにくい、低コスト、準備技術はシンプルで環境に優しいです。

現在、電池材料系での高分子固体高分子電解質の製造は、ポリエチレンオキシド（PEO）です。PEO高分子電解質は、高温でのイオン伝導性が高く、撮影が容易で、加工が容易で、後にアノードを形成することができます。複合連続イオン伝導チャネル、アノード表面抵抗は小さい.3.8 VのPEO酸化電位、コバルト酸リチウム、層状酸化物、および高エネルギー密度アノードなどのスピネル酸化物は一致するのが難しく、変更が必要です;第二に、PEOベース電解質60〜85℃の温度、バッテリーシステムには熱管理が必要、電力およびエネルギー貯蔵アプリケーションの必要性特別なバッテリーシステム設計;繰り返しますが、不均一な沈降の充電および放電のプロセスで直接使用されるこの種のリチウムバッテリーは、隠れたトラブルの内部の短絡によって引き起こされる高分子膜を横切るリチウムデンドライト、さらに比率特性もimである必要があります室温での高電圧、高イオン伝導性に対する耐性の開発、およびリチウムデンドライトのブロッキングメカニズムを備えているため、高分子電解質の優れた機械的特性が重要な研究の方向性です。

無機固体電解質は酸化物と硫化物で構成されています。固体電池の少量バッチ生産は、電解質薄膜電池として主にアモルファスリプトンです。無機固体電解質は、材料本体の一部の利点があり、高いイオン伝導性は高電圧に耐えることができます。電気化学的、化学的および熱的安定性、リチウムデンドライトの抑制には一定の効果があります。

比較的柔らかいため、酸化物や硫化物に比べて、すべての全固体リチウム電池をホットプレス法で調製することにより、処理が容易です。最近示された全固体リチウム電池は、室温で60℃以下でも動作する可能性があります。体積と品質はエネルギー密度の大幅な低下になりますが、少なくとも結果は、高出力電位の全固体電池を反映しています。硫化物電解質は空気に敏感で、酸化しやすく、水は次のような有害なガスを生成しやすいです。硫化水素硫化物化合物の酸化物やドーピングにより、この問題はある程度改善される可能性がありますが、最終的には安全性のアプリケーション要件を満たすことができ、環境に優しい機能の実験的検証が必要です。この段階では、無機セラミック固体の使用電解質全固体大容量電池電池の品質と体積エネルギー密度は、既存の液体リチウムイオン電池よりも大幅に低くなっています。

アノード材料のレビュー

固体電解質と電極材料に加えて、全固体電池の性能に影響を与える重要な要因もあります。固体電解質と電極材料の界面の基本は存在しませんが、固体の特徴は電極/電解質の界面を作ります互換性、高い界面はイオン輸送のインピーダンスの影響を受け、サイクル寿命が短くなり、全固体電池の性能の比率が低くなります。さらに、将来のすべての全固体リチウムイオン電池の開発と応用は必然的になります小型全固体電池から大型全固体電池のエネルギー貯蔵タイプまで、しかし従来の電極材料は高エネルギー密度の要件を満たすことができませんでした。上記の理由から、電極材料の研究は主に集中しています。 2つの側面で：1つは電極材料とその界面の変更、電極/エレクトの改善ですrolyteインターフェースの互換性; 2つ目は、新しい電極材料を開発して、全固体電池の電気化学的特性をさらに強化することです。

アノード材料の高エネルギー密度は、より大きな挿入されたli容量と高電圧を持っているので、体積変化を充電および放電するプロセスで重要になります。固体電解質を使用して、アノードと固体電解質膜の界面、および正の内部固体電解質界面との接触、接触変動が発生する可能性があります.insituまたはexsitu堆積物の表面の正の粒子を含む溶液または固体電解質層のホットプレス;または特定の弾性固体電解質の正の粒子細孔充填が形成液体電解質と同様の連続イオン伝導相;または液体中で、正側の固液複合システムを導入しました。アノードへの液体注入を分離することが難しいため、液体の導入は、高いエネルギー密度と安全性を備えた固体リチウム電池が鍵であり、それは電気化学的特性の導入に依存します液体とセキュリティ機能のs、およびリチウム金属電極は事前に完全に保護されています。既存の液体電解質のセキュリティは基本的に要件を満たしているので、固体電池では、プラス側を減らすために液体を追加します、接触抵抗はダイナミクスとセキュリティソリューションの両方の缶である必要があります。しかし、高電圧での作業を見つけることができます、良好な湿潤性、セキュリティ、優れた液体電解質添加剤も簡単ではありません、それ自体が液体リチウムイオン電池です方向とボトルネックテクニック。

アノード材料がレビューされます

金属は、その大容量と、主要なアノード材料の1つである固体電池への潜在的な利点が低いため、循環プロセス中のリチウム金属は、リチウムデンドライトを生成するだけでなく、リチウムの量を減らすことができます。埋め込み/離陸、より深刻なのは、短絡などの安全上の問題を引き起こす可能性があることです。他の金属リチウムは非常に活気があり、空気や水中の酸素などと反応しやすく、高温の金属リチウムに対応していないため、これらの問題を解決する主な方法の1つは、リチウム金属と合金のその他を結合することです。合金材料は通常、理論容量が高く、金属リチウムの活性は他の人の参加によって減少します。金属は、リチウムデンドライトの生成と電気化学反応を効果的に制御できるため、界面の安定性が促進されます。ただし、リチウム合金アノードには明らかな欠陥がいくつかあります。循環量変化の過程で電極が大きく、深刻な電極粉砕につながると同時に、リチウムが電極活物質であるため、サイクル性能が急激に低下するため、対応する安全上の問題が依然として存在します。現在、これらの問題を改善できるのは、主に新しい合金材料の合成、超微細ナノ合金および複合合金システム（活性/非活性、活性/活性、炭素複合および多孔質構造など）の調製などです。

炭素、シリコン、スズベースの材料の炭素グループは、すべての全固体電池アノード材料のもう1つの重要なグループです。炭素はグラファイト材料の典型的な代表であり、グラファイトカーボンはリチウムイオンの埋め込みと層状構造の出現に適しており、電圧、充電、放電効率は90％を超えますが、理論容量は低く（約372ma˙h/ gのみ）、この種の材料の1つであり、実用化は基本的に理論上の限界に達しており、ニーズを満たすことができません。高エネルギー密度の。

結論

固体電池の従来の有機固体電解質電解質調製物を置き換えることは、リチウムイオン電池の安全性の問題を根本的に解決することができます。現在、すべての固体リチウムのより高いエネルギーと電力密度の開発に焦点を当てた多くの作業があります。イオン電池は、工業化の過程で高セキュリティ、高エネルギー蓄電池を推進する上で、研究開発と準備の重要な材料（固体電解質、正と負など）が重要な1つの年輪です。

PEOとその誘導体の高分子電解質、リプトン膜電解質、酸化物と硫化物、アモルファス電解質と硫化物ガラス電解質システムの固体電解質開発システムは、イオン伝導性を継続的に促進しました。今のところ、すべての固体リチウムイオン電池に適用される可能性が最も高いです。 PEOベースのポリマー電解質、電解質NASICON、ガーネット酸化物および硫化物電解質を含む固体電解質材料。

電極に関しては、従来の遷移金属酸化物アノード、金属リチウム、グラファイトアノードに加えて、硫化アノード酸化物アノードの高電圧、高容量、複合材料の良好な安定性を含む一連の高性能アノード材料が開発されています。カソードなど

電池は、全固体リチウムイオン電池業界の大容量を最適化するための重要な材料であり、確固たる基盤を築いていますが、一般的には多くの問題がありますが、まだ解決すべき問題がいくつかあり、将来の発展の方向性になります。 、全固体電池の開発見通しは非常に明るく、既存のリチウムイオン電池に取って代わり、将来のエネルギー貯蔵電源が主流になることもタイムズのトレンドです。

このページには、機械翻訳の内容が含まれています。