Која су нова открића у напретку истраживања материјала за електричне литијумске батерије

Због ограничења технологије енергетских литијумских батерија, нова енергетска возила имају мали домет, кратак животни век (ниско време пуњења и пражњења) и високу стопу слабљења, што омета широку примену нових енергетских возила. Недавно су Јужна Кореја и Јапан сукцесивно најављивали напредак у технологији материјала за напајање литијумским батеријама, а цена енергетских литијумских батерија ће се смањити у будућности.

На 5. Националној конференцији о иновацијама у науци и технологији и 4. Форуму Повер Енерги Суммит, професор Ву Фенг са Пекиншког технолошког института и присутни гости су поделили напредак истраживања енергетских литијумских батерија и сродних материјала.

Значајна потражња земље подстакла је нови скок у развоју енергетских литијумских батерија. Осигуравајући сигурност, нове врсте енергетских литијумских батерија са високом енергијом, великом снагом, дугим веком трајања, ниском цијеном и без загађења формирају индустрију и улазе на тржиште према различитим потребама корисника. Ву Фенг је рекао да је технолошка интеграција између никл-водоник батерије, литијум-јонске батерије, нове системске батерије високе специфичне енергије и суперкондензатора веома важна. Ова технолошка интеграција сама по себи је такође технолошка иновација. То ће отворити ново поглавље за развој нових секундарних батерија у Кини заједно са интернетом!

У развоју енергетских литијумских батерија сусрећу се са следећим проблемима: да ли се може конструисати нова генерација батерија високе специфичне енергије? Можемо ли да решимо питања безбедности и поузданости батерија? Може ли се постићи дуг животни век батерије? Да ли се исплативост батерија може побољшати?

У 2015. години, индекс густине енергије енергетских литијум-јонских батерија био је 120-180Вх/кг, а важни системи материјала били су литијум гвожђе фосфат графит и тернарни графит. Индекс густине енергије нове генерације енергетских литијум-јонских батерија у 2020. је: богат литијум (250мАх/г) - негативна електрода силицијум угљеника: ћелија батерије 300Вх/кг.

Побољшање густине енергије у енергетским литијум-јонским батеријама није везано само за материјале позитивних и негативних електрода, већ захтева и веће захтеве за коришћени електролит. Ву Фенг је навео да се употребом НЦМ тернарних позитивних материјала електрода и материјала Си/Ц негативних електрода може припремити литијум-јонска батерија високе специфичне енергије са густином енергије од 319Вх/кг.

Што се тиче напретка истраживања система материјала 300Вх/кг снаге литијумских батерија, Ву Фенг је навео да је утицај двовалентног садржаја никла на феномен мешања литијум никла у материјалу тројне катоде са високим садржајем никла НЦМ811 је проучаван. Утврђено је да додавање стехиометријског односа литијума може повећати садржај двовалентног никла у материјалу, чиме се смањује мешање литијум никла у материјалу и побољшава перформансе стабилности материјала. Поред тога, припремљен је тројни катодни материјал са високим садржајем никла (ЛиНи0.7Цо0.15Мн0.15О2) са супериорним растом 010 кристалне равни, а електрохемијска мерења су показала да материјал има одличне перформансе брзине. И дизајнирати и развити сферичну хијерархијску структуру са растом предности електрохемијске активне површине, значајно побољшавајући карактеристике циклуса брзине и перформансе брзине материјала на бази литијум-јонских батерија богатих манганом.

У истраживању материјала негативних електрода, методом директног облагања синтетизоване су СиО/ЦНк композитне електроде без везива. Угљенична мрежа која садржи азот може да ублажи промену запремине током циклуса, формирајући добру проводљиву мрежу на површини СиО и обезбеђујући стабилан канал за електронски пренос. Си/Ни/графит композитни материјали су синтетизовани методом високоенергетског глодања. Метални Ни и графит су се испреплели да формирају добру проводљиву мрежу, а нанокристални Си је уграђен ин ситу у матрицу СиОк, побољшавајући електрохемијску активност СиОк.

Истражите функционалне електролите, дизајнирајте и развијте нову врсту блатног електролита који садржи литијум силикат, који значајно побољшава сигурност и стабилност циклуса високонапонских материјала катодних литијум-јонских батерија. Поред тога, развијени су безбедносни функционални електролити и адитиви: имидазолинон, јонске течности пиридинског прстена и фосфатни адитиви који успоравају пламен су комбиновани са адитивима који стварају филм као што је бутен сулфит како би се развила серија функционалних система електролита са отпорношћу на пламен и електрохемијском компатибилношћу. , значајно побољшавајући безбедност, поузданост и температурну прилагодљивост литијум-јонских батерија (проширивање температурног опсега од -20 степена до+60 степена до -40 степена до+80 степена) . И развијен је електролит у чврстом стању са мезопорозном СиО2+јонском течном мрежном структуром, која има широк електрохемијски прозор, високу термичку стабилност и јонску проводљивост на собној температури од 10-3С/цм, пружање материјалне подршке за решавање питања безбедности нових батерија високе специфичне енергије.

Поред истраживања материјала за батерије, секундарне батерије су продрле у различите области националне привреде и живота људи. Производња батерија је нагло порасла, што представља огроман притисак на животну средину и ресурсе за друштво. Према прогнози продаје нових енергетских возила у Кини, потражња само за литијумским батеријама за напајање ће достићи 30 милијарди ват сати 2020. године, а негативан утицај на животну средину ће постајати све озбиљнији. Ресурси литијума ће такође постајати све оскуднији. Усвајањем еколошки прихватљиве технологије опоравка природне органске киселине, постигнута је зелена и ефикасна рекуперација отпадних литијум-јонских батерија (са стопама испирања литијума и кобалта од 98% и 94% респективно), што је супериорније у односу на процесну технологију која користи јаке киселине у иностранству. и спречава секундарно загађење у третману обнављања јаке киселине.

Напредак у истраживању и развоју нових материјала за електричне литијумске батерије

Заиста се надамо да ћемо постићи позитивне резултате у погледу материјала, што је за нас прилично тешко. Са становишта компаније, технички показатељи безбедности, поузданости и трошкова поставили су низ захтева, међу којима су показатељи крајњег резултата и показатељи дугорочног развоја веома високи. Влада и држава су поставили веома високу густину енергије за литијумске батерије. За пројекте као што су нова енергетска возила и пројекти основних истраживања најављених ове године, надамо се да ће густина енергије литијум-јонских батерија достићи 400Вх/кг, а густина енергије нових узорака системских батерија може достићи 500Вх/кг. За компанију, 300Вх/кг такође није лако и потребно је развити много нових система. Захтев „Маде ин Цхина 2025“ је да се постигне тежина од 400вх/кг или више, а још увек постоји значајан јаз између кључних речи у неким од предложених метода, а то су батерије.

Из перспективе индикатора производа, упоредимо релевантне захтеве различитих националних влада. Управо поменута „Маде ин Цхина 2025“, испод је такмичење између Јапана и Сједињених Држава. Ове године су покренута три специјална пројекта, од којих сви укључују електричне литијумске батерије.

Сви се надају да ће у будућности постићи 400вх/кг, зашто постављамо овај индикатор? Углавном због сигурносних разлога за литијум-јонске батерије. Узимајући БАИЦ Нев Енерги ЕВ200 као пример, његова потрошња енергије на 100 километара је 14 кВх, а животни век је 10 година и 200.000 километара. Међутим, сада су трошкови значајно смањени. Будући развој енергетских литијум-јонских батерија ће резултирати знатно већим трошковима за постизање истог домета у односу на тренутну ситуацију. Стога, ако се литијум-јонске батерије електричних возила не развију до високе енергије, у будућности ће се суочити са интензивнијом конкуренцијом у чисто електричним возилима, а можда ће чак бити и преплављене батеријама на гориво.

Из перспективе практичног развоја, укупан развој је спор и релативно стабилан. Најважније је надоградња и замена технологије и материјала. Чак и ако пратимо руту, ако можемо да идемо у корак са тренутном брзином развоја, можете постићи 300 ват сати по килограму до 2020. и 390 ват сати по килограму до 2030. Како можемо постепено да постигнемо ову мапу пута? Друго, можемо ли постићи 400 ват сати по килограму или чак и више?

Литијум-јонска батерија са течним електролитом је развила три генерације, а прошле године је дошло до детаљног упознавања. Важно је да се у погледу материјала позитивних електрода сваки од њих унапређује и замењује, повећавајући напон или капацитет; Важна промена у аспекту негативне електроде је увођење нано силицијум угљеника у електролит у енергетским батеријама, заједно са неким техникама као што су керамички обложени сепаратори. Колико висока може бити направљена литијум-јонска батерија коју тренутно гледамо? Ниска густина енергије је заиста веома добра, жртвује могућност рециклирања, да не спомињемо безбедност, и постиже високу енергију. Међутим, то не значи да се рециклирање не може побољшати, али захтева детаљна и основна истраживања. Ово је компанија за истраживање у Француској која је видела све више мишљења о материјалима. Сада су многи тимови и колеге упознати са тим, па нећу да улазим у детаље.

Међутим, што се тиче материјала за батерије, постоји много проблема и захтева за перформансама, а усвојено је најмање 13 или више технологија за свеобухватно решавање ових проблема. Свака жица има много детаљних технологија и садржаја. Када замените материјал, цела батерија ће претрпети сложене промене, а развој овог материјала батерије је посебно спор, обично траје више од десет година. Многи тимови и компаније већ развијају литијум-јонске батерије од 300 ват сати по килограму. Најтежи проблем у овој области сада је тај што велики капацитет негативних електрода доводи до експанзије велике запремине, што вам је веома тешко да се носите на нивоу батерије. Основни проблем је како решити проширење запремине након пуњења да би се испунили захтеви тренутних компанија за батерије. Поред тога, имплементација ових високих густина енергије је могућа, али могу ли њихови свеобухватни индикатори приступа задовољити захтеве апликације? Нисам сигуран каква је то горња граница, али у томе има неких решења. Нећемо детаљно расправљати о временском односу. Поздрављамо све да имају прилику да размене технологију у овој области.

Поред тога, влада треба да производи 400вх/кг и 500вх/кг. Након прорачуна, постоји модел који укључује графитну негативну електроду и силицијумску негативну електроду метални литијум. Ако достигне 800 вати или више, још увек постоји шанса. Још увек постоје нека решења за 400вх/кг и 500вх/кг, али то је веома тешко постићи. НЦ може да достигне до 200, негативни литијум може да достигне 300, а различити материјали негативних електрода захтевају систематски прорачун. Из рачунске перспективе, чини се да још увек постоје неки позитивни и негативни материјали електрода који постижу високу густину кроз подударање. Претходни прорачуни су били виртуелни, а рад Кинеске академије наука у том погледу. У циљу јачања истраживачких и развојних достигнућа, промовисања економског развоја и решавања практичних проблема, Кинеска академија наука је покренула стратешки пилот пројекат А-класе. Један од ових пројеката је и пројекат наноматеријала, који има за циљ да пружи концентрисану подршку нанотехнологији коју је Академија истраживала у последњих 20 година. Надамо се да ће ово бити од помоћи индустрији. Први од ових пројеката је енергетска литијумска батерија, а вероватно ће се користити наноматеријали и нанотехнологија.

Захтеве за ову врсту пројекта предложили су заменик министра Јин и Јун, који је првобитно био одговоран за овај пројекат. Наш рад треба да има јасне циљеве, да буде употребљив и процењив. Након процене треће стране, постоји много индикатора за процену нивоа коришћених материјала и технологије, да ли постоји било какав утицај и утицај на способност. Стога је ова врста пројекта веома тешка. Он је предложио конкретне индикаторе, а земља је предложила да се постигне 300 ват сати по килограму до 2020. и 150 ват сати по килограму до 2015. Требало би да почне и индустријализација сродних материјала за батерије, као што су електролити позитивних електрода, сепаратори и тако даље. . За завршетак овог пројекта постављено је неколико важних задатака. Један је издвајање 60% буџета за 70% оперативних трошкова за литијум-јонске батерије, развој позитивних и негативних електрода високе енергије, електролита високог напона и високобезбедних сепаратора интегрисаних у енергетске литијум-јонске батерије. Дугорочно, потребно је да распоредимо солид-стате батерије, а у том погледу су уређене и ваздушне батерије. Такође, јутрос је учитељица Чен споменуо ниво тестирања. У Кини још увек постоји одређени ниво тестирања, али су успостављене две платформе. Дозволите ми да укратко изнесем резултате. Постоји 12 јединица са тимом за истраживање и развој од око 300 људи, који покривају различите аспекте. Једна је силицијум негативна електрода, а ја већ 19 година радим на научним и технолошким истраживањима и развоју у овој области, што је прилично тешко. Недавно сам развијао овај пројекат из перспективе примене, а важне техничке руте укључују две категорије: СиОк/Ц и Нано Си. Важно је стално понављати свеобухватне техничке индикаторе. Након добијања подршке 2013. године, можемо постићи величину серије од 500 килограма, што се углавном заснива на свеобухватним разматрањима дизајна. Оно што овде показујем је да наше идеје нису стварне ствари. И даље је веома тешко увозити адитиве и тако даље, а потешкоћа у нано дискусији је како доћи до 100 јуана по килограму нано силицијума.

Како равномерно дисперговати нано силицијум у честицама?

Оно што тренутно постижемо је материјал који распршује нано силицијум у честице и може ући у масовну производњу. У материјалу од 450 милиампера на сат, то је генерално оптерећење великог капацитета које може да се окрене око 500 пута. Међутим, претходно развијени силицијум оксид је још увек у развоју, али је ефикасност ниска и висок капацитет нано силицијум угљеника није задовољавајуће решење. Због тога развијамо нову генерацију оксидних материјала богатих силицијумом, смањујући изазове које доноси.

Ова нова компанија за материјал тренутно је на трећем или другом месту у Кини, што решава низ техничких проблема. Нећу да улазим у детаље. Дошло је до напретка у материјалима за негативне електроде, али смо акумулирали релативно мало у материјалима позитивних електрода. Након подршке овом пројекту, важно је фокусирати се на висок ниво капацитета. Тежак део овог материјала је слабљење напона. У овом раду важно је реконструисати површинску структуру како би се решио проблем слабљења напона. Дакле, може се почети покушавати. Ове године је на нивоу од 500 килограма.

Други материјал је високонапонски спинел, који је релативно лако пребацити. Најтеже је то што је након употребе овог материјала потребно свеобухватно надоградити електролит и друге аспекте, тако да овај аспект још треба побољшати, посебно за проблем високе температуре од 55 степени. Да би се решио проблем високонапонских материјала богатих литијумом, ово је веома важно и такође веома изазовно у Кини. Сада може релативно стабилно да циркулише под високим напоном, а има и адитива у електролиту. Сматрамо да је директно коришћење сепаратора још увек помало проблематично, тако да морамо да развијемо керамички сепаратор и да користимо целулозу као подлогу, која је отпорна на високе температуре. Међутим, чини се да се то у крајњој линији не може користити у нашим батеријама. Важна ствар је доследност и стабилност. Тренутно је у фази тестирања малог и средњег обима, али постоји нада за будућност. У ствари, развили смо и јонски проводни сепаратор премаза са сепаратором целулозе и керамичким честицама.

Графен се развија дуго времена, а технологија премаза може постићи ниво масовне производње од десетина тона. Од истог материјала направљена је и прелиминарна батерија која може да постигне 375 ват сати по килограму. Међутим, његова могућност рециклирања је лоша, а мали капацитет је добар за бициклизам. Важна ствар је како решити низ проблема са помоћним материјалом при експанзији велике запремине.

На крају, дозволите ми да представим метални литијум у чврстом стању. Што се тиче теоријских прорачуна, постоји побољшање код литијум-јонских батерија. Такође постоји могућност коришћења литијум-јонских батерија, као што су металне литијум-јонске батерије и ваздушне батерије, које укључују различите системе батерија као што су кисеоник, вода и угљен-диоксид. У управо израчунатим резултатима може се видети да је зелени металик литијум већи, док је силицијум негативна електрода снажнија. Ако се користи силицијум од 2000 мАх, у поређењу са експанзијом од преко 200, проширење литијума је релативно лакше решити. Ако утиче на електричну енергију веће енергије, идеја о коришћењу пост батерије и даље се може користити, али још увек постоје неки изазови у смислу механике и тако даље.

Металне литијум-јонске батерије су се развијале више од 50 година, посебно 1980-их и 1990-их када је било озбиљних проблема, а тренутно нема доказа који би сугерисали да су металне литијум-јонске батерије безбедне. Проблем коришћења металних литијум-јонских батерија за модификацију је у томе што се неуједначено таложење и таложење разликују од графита и силицијума. Друго, СЕИ филм је нестабилан, тако да се многи људи и даље надају да ће користити солид-стате решења за решавање овог проблема. Кључна тачка чврсте технологије је да се она може решити у теорији, тако да постоји много сигурности и предности, као и предности коефицијента циклуса. Поред тога, може се користити и за унутрашње везивање, као што је на бази полимера, и додавање неких течних електролита. Многе компаније су много уложиле у то на међународном нивоу, али из практичне перспективе, батерије велике густине енергије још нису развијене. Кључно питање овде је како решити отпор позитивне електроде.

Из перспективе индустријског развоја, разлика између чврстих батерија су чврсти електролити, који могу користити металне литијум-јонске батерије. Литијум-јонске батерије су такође веома моћне, што је заправо у развоју индустрије. Једном када се кључни материјали технологије батеријских ћелија могу пробити, они могу брзо ући на тржиште. Стога смо предложили неку мапу пута, можда најраније за производњу батерија је 2019. године, 2020. године могуће је тестирати ниво комерцијализације. Неке све солид-стате батерије су и даље релативно споре, а истина је да све солид-стате батерије могу трајати дуже. Батерије са мало више течности ће бити брже јер балансирају густину енергије и сигурност.

Јужна Кореја: 45% повећање капацитета литијумске батерије

Према информацијама из онлајн верзије академског часописа „Натурал Енерги“, истраживачки тим са Улсан института за науку и технологију (УНИСТ) у Јужној Кореји недавно је развио катодне материјале за секундарне батерије, који могу повећати постојећи капацитет батерија за 45%, додајући најмање 100 километара тренутном домету од преко 200 километара за електрична возила.

Истраживачки тим је успешно повећао капацитет батерије тако што је развио графитно-силицијумске композитне материјале за замену постојећих батерија графитним електродама. Нова електрода је направљена убризгавањем честица силицијума величине 20 нанометара (1 милијардити део метра) између молекула графита. Поред повећања домета, нова технологија у великој мери скраћује време пуњења и пражњења, а брзина пуњења и пражњења батерије је такође за више од 30% бржа од постојећих батерија.

Индустрија очекује да ће масовна производња таквих нових батерија бити лакша и да ће у будућности имати снажну конкурентску предност у погледу цене.

Јапан: Развијене литијум-јонске батерије које не захтевају кобалт

Према информацијама компаније Панасониц Елецтриц, Јапан је развио нови материјал за литијум-јонске батерије за који није потребан редак метал кобалт, а развио је и нови тип литијум-јонске батерије.

Истраживачки тим који предводи професор Руницхи Иосхида са Универзитета Панасониц Елецтриц Апплианцес у Кјоту у Јапану је развио нови органски материјал користећи литијум и угљеник и успешно произвео нову врсту литијум-јонске батерије која не користи кобалт као материјал за електроду. Експериментални резултати показују да батерије произведене од нових материјала имају исти капацитет као литијум-јонске батерије са материјалима који садрже кобалт као електродама. Очекује се да ће се овај тип литијум-јонске батерије ослободити зависности од кобалта и значајно смањити трошкове производње.

Још једна предност производње литијум-јонских батерија са овим новим материјалом је да је век трајања батерије дужи, а стопа распадања нижа. Експериментални резултати показују да је литијум-јонска батерија произведена овим новим материјалом напуњена и испражњена 100 пута, али деградација капацитета батерије не прелази 20%. Панасониц Елецтриц планира да побољша овај нови материјал, надајући се да ће повећати фреквенцију пуњења и пражњења батерије на 500 до 1000 пута, а затим наставити са комерцијалном производњом.