リチウム電池の三元材料はどうですか？

リチウムイオン電池のアノード材料のコストは約40％であり、アノード材料のコストはわずか約5％です。したがって、リチウムイオン電池ではアノード材料が重要な役割を果たしていることがわかります。アノード材料は、主に層状構造、スピネル構造、かんらん石構造の3つのカテゴリーに分類されます。スピネル構造とかんらん石構造の代表的な材料はLiMn2O4とLiFePO4であり、層状構造の代表的な材料はLiMO2（M = Ni、Co、Mn）と三元材料です。

三元アノード材料の紹介

1999年に、ZhaolinLiu等。シンガポール国立大学から、最初に、さまざまな成分を含む3層のLi（Ni、Co、Mn）O2材料を提案しました。 ni-co-mnの相乗効果により、LiCoO2の優れた循環性能、LiNiO2の高い比容量、LiMnO2の低コストと安全性能の利点を組み合わせました。

電気自動車の場合、さらに進むにはより高いバッテリー電力が必要であり、三元材料は、パワーバッテリーで広く使用されているLFPよりもエネルギーが高く、耐久性に優れています。現在、業界の電気自動車の価格は非常に高く、パワーバッテリーの高コストは重要な理由の1つであり、自動車全体の価格のほぼ半分を占めています。

三元陽極材料は寿命が長いため、パワーバッテリーをより長く使用できるため、電気自動車のコストパフォーマンスが向上します。しかし、昨年1月、主に三元材料の安全性能が不安定なため、国は乗用車での三元リチウムイオン電池の使用を停止した。結局のところ、今日の知識の爆発的増加では、セキュリティを除いて、人々が新しいテクノロジーを探求するのを止めることはできません。

ni-co-mnの3つの元素の比率の変化に伴い、三元材料は大きく2つのタイプに分類できます。Ni：Mnアイソタイプとニッケルリッチタイプです。前者では、Coは+ 3、Niは+ 2、Mnは+4です。 Mnの不変の原子価は、構造を安定させる役割を果たします。充電すると、Niは2つの電子を失い、材料の大容量特性を維持します。

電池容量を向上させ、Niの含有量を増やすために、ニッケルリッチタイプと呼ばれています。このような材料では、Coは+3価、Niは+ 2 / + 3価、Mnは+4価です。充電電圧が4.4v（Li + / Liに対して）より低い場合、Ni + 2 / +3は酸化されてNi + 4を形成します。充電を続けます。高電圧では、Co3 +が反応してCo4 +を生成します。 4.4v未満では、Ni含有量が高いほど、材料の可逆容量が大きくなります。

Mn4 +をAl3 +に置き換えて形成されたNCAも、高ニッケル三元材料に属しています。 Al3 +は、Mn4 +と同様に、同じ安定した原子価状態を持ち、Co含有量は材料のイオン伝導度に影響を与えます。図2は、さまざまなコンポーネントの3成分材料の特性を比較しています。

図2異なるコンポーネントを備えた三元材料の放電比容量、熱安定性、および容量保持率の関係

図からわかるように、Ni含有量の増加に伴い、放電点の比容量が160mA・h・g-1から200mA・h・g-1以上に増加し、熱安定性と容量保持率が向上しました。減少しました。

3.三元材料に存在する問題

・増加したNi含有量の影響

三元材料中のNiの含有量を増やすことにより、バッテリーの容量を改善することができます。ただし、真円度と熱安定性は悪化します。 Ni含有量が増加すると、REDOXプロセス中に相転移が発生し、容量が減衰します。 Ni含有量の増加はまた、熱分解の温度を低下させ、熱放出を増加させ、その結果、材料の熱安定性が低下します。高ニッケルLi [NixCoyMnz] O2材料の場合、x> 0.6材料は空気中のCO2およびH2Oと反応してLi2CO3を生成しやすく、LiOHはガス膨張の主な原因であり、後者はLiPF6と反応します。電解質。 xが高いほど、影響はより深刻になります。

・電解液とのマッチング

電解質とアノード材料の界面での反応と電荷移動はリチウムイオン電池の性能に影響を与え、活物質の腐食と電解質の分解は電極/電解質の界面での電荷移動に深刻な影響を及ぼします。

・不均一な表面反応

SooyeonHwang [3] etal。韓国科学技術研究院の研究によると、充電中にNCAの構造が変化し、粒子表面のLiが出やすくなり、表面の結晶と粒子の構造が不均一になることがわかりました。このような変化は、材料の急速な容量減衰とインピーダンス上昇を引き起こします。

4.三元材料の研究開発の方向性

武漢大学のaixinping教授は、次世代のパワーバッテリーの予測を行いました。 NCMとNCAを正極、グラファイトカーボンを負極とするバッテリーシステムは、150〜170Wh / kgの短期目標を達成することは難しくありませんが、安全性がその負荷アプリケーションの主な障害であると彼は述べました。 。

将来の開発では、次の4つの方向性を検討する価値があります。高出力の三元材料;合成方法の改善;三元材料に適合した電解質添加剤に関する研究。

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