Najnoviji napredak u suzbijanju nadimanja u litijum-titanatnim baterijama

Svemirska grupa litijum-titanata (Li4Ti5O12, poznata i kao LTO) pripada strukturi Fd3m, spinel. Zbog svog jedinstvenog trodimenzionalnog litijum-jonskog difuznog kanala, on ima prednosti izvrsnih karakteristika snage i dobrih performansi na visokim i niskim temperaturama. Istovremeno, kristalna struktura litijum-titanata može održavati visoku stabilnost tokom ciklusa deinterkalacije litijum-jona, a promjena zapremine je manja od 1%, što postavlja temelje da litijum-titanat postane važan materijal negativne elektrode. Još važnije, eliminira skrivene opasnosti od sigurnosti baterija i poznat je kao najsigurniji materijal negativne elektrode za litijumske baterije. Fizička struktura litijum-titanata pogodna je kao materijal negativne elektrode za litijumske baterije, pa koje su njegove elektrokemijske karakteristike? U usporedbi s anodnim ugljeničnim materijalima, litijum titanat ima veći potencijal od 1,55 V u odnosu na Li + / Li, teoretski kapacitet od 175 mAh / g, napon otvorenog kruga od 2,4 V i nižu gustinu energije i napon platforme.

Litijum-titanatne baterije imaju prednosti visoke sigurnosti, punjenja velikom brzinom, dugog vijeka ciklusa itd. Međutim, kada se litij-titanat koristi kao negativna elektroda, baterija će imati ozbiljne nadutosti tokom ciklusa punjenja i pražnjenja, što je ozbiljnije kod visoke temperature. Iako istraživanje nadutosti litijum-titanatnih baterija nikada nije prestalo, uključujući modifikaciju ugljeničnog premaza, hibridizaciju, nanometerizaciju itd., Problem nadimanja nije u potpunosti riješen, što ometa tržišnu promociju litijum-titanatnih baterija.

1. Mehanizam nadimanja litijum-titanatne baterije

Akademska zajednica vjeruje da je razlog zbog kojeg je nadimanje litijum-titanatnog / NCM akumulatora ozbiljnije od onog grafitnog / NCM-a taj što litijev titanat ne može na svojoj površini stvoriti SEI film poput baterija sistema od grafitne anode da spriječi njegovu reakciju s elektrolitom . Tijekom procesa punjenja i pražnjenja elektrolit je uvijek u direktnom kontaktu s površinom Li4Ti5O12, što rezultira kontinuiranim smanjenjem i razgradnjom elektrolita na površini materijala Li4Ti5O12, što može biti osnovni uzrok nadimanja Li4Ti5O12 baterije.

Glavne komponente plina su H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 itd. Kada se litijum-titanat uroni samo u elektrolit, proizvodi se samo CO2. Nakon što se od njega napravi baterija s NCM materijalima, proizvedeni plinovi uključuju H2, CO2, CO i malu količinu plinovitih ugljikovodika. Tijekom punjenja i pražnjenja stvara se H2, a sadržaj H2 u istodobno proizvedenom plinu premašuje 50%. To ukazuje da će se tijekom procesa punjenja i pražnjenja stvarati plin H2 i CO.

LiPF6 ima sljedeću ravnotežu u elektrolitu:

PF5 je jaka kiselina koja lako uzrokuje razgradnju karbonata, a količina PF5 raste s porastom temperature. PF5 pomaže elektrolitu da se razgradi da bi stvorio CO2, CO i CxHy plin. Prema povezanim studijama, generacija H2 dolazi iz vode u elektrolitu u tragovima, ali sadržaj vode u elektrolitu je obično oko 20 × 10-6, što vrlo malo doprinosi proizvodnji H2. Wu Kai sa šangajskog univerziteta Jiaotong koristio je grafit / NCM111 kao bateriju u svom eksperimentu i zaključio da je izvor H2 razgradnja karbonata pod visokim naponom.

2. Inhibicija nadimanja u litijum-titanatnim baterijama

Trenutno postoje uglavnom tri rješenja za sprečavanje nadimanja litijum-titanatnih baterija. Prvo, obrada i modifikacija LTO anodnih materijala, uključujući poboljšane metode pripreme i modifikaciju površine itd .; drugo, razvoj elektrolita koji odgovaraju LTO anodama, uključujući aditive, sistem otapala; treće, poboljšati tehnologiju baterija.

(1) Poboljšati čistoću sirovina i izbjegavati unošenje nečistoća tokom proizvodnog procesa. Čestice nečistoća ne samo da kataliziraju klasifikaciju elektrolita za stvaranje plina, već i uvelike smanjuju performanse, životni vijek ciklusa i sigurnost litijumske baterije. Zbog toga se unošenje nečistoća u bateriju mora svesti na minimum.

(2) Površina litijum-titanata prekrivena je nanočesticama ugljenika. Očigledni razlog za stvaranje plina u negativnoj elektrodi LTO je taj što je stvaranje SEI filma sporije i manje, što dovodi do pojave nadimanja koja prati njegov život. Studija je otkrila da je izolirani sloj uspostavljen između litijum-titanata i elektrolitne površine (poput izgradnje sloja nano-ugljeničnog premaza na površini litijum-titanata (LTO / C) i filma sučelje čvrstog elektrolita (SEI) formiranog na sloj premaza) S jedne strane, površina dodira između LTO materijala i elektrolita smanjuje se kako bi se spriječilo stvaranje plina. S druge strane, sam ugljik može proizvesti SEI film kako bi nadoknadio nedostatak LTO, a istovremeno može povećati i provodljivost LTO materijala. Navedeni rezultati istraživanja mogu riješiti problem proizvodnje litijum-titanatnih baterija. Ponašanje plina je od velikog značaja i promovira dizajn i veliku primjenu i razvoj visokoenergetskih litijum-titanatnih baterija.

(3) Poboljšati funkcionalnost elektrolita. Za razvoj novih elektrolita, mnogi patenti imaju tendenciju da koriste aditive za promicanje stvaranja gustog SEI filma na površini LTO-a kako bi se suzbila pojava sporednih reakcija na granici između LTO-a i elektrolita. Određeni aditivi elektrolita, poput fluoriranih karbonata i fosfata, pogodni su za stvaranje stabilnog SEI filma na površini pozitivne elektrode, smanjujući otapanje metalnih jona na površini pozitivne elektrode, smanjujući time stvaranje plina. Aditivi koji stvaraju film mogu takođe inhibirati proizvodnju plina. Dodani aditivi za formiranje filma uključuju litijum-borat, sukcinonitril ili adiponitril i spojeve sa strukturom R-CO-CH=N2 (gdje je R C1-C8-alkil ili fenil), ciklični fosfat, derivati ​​fenila, derivati ​​fenilacetilena, aditivi LiF , itd., svi ovi aditivi za stvaranje filma pogodni su za stvaranje SEI filma na površini LTO i u određenoj mjeri inhibiraju pojavu nadimanja.

(4) Pozitivna površinska prevlaka elektroda. Prekrivanje površine pozitivne elektrode stabilnim jedinjenjem, poput glinice, može efikasno inhibirati otapanje metalnih jona. Međutim, previše složeni sloj obloge inhibirat će deinterkalaciju litijumovih iona i utjecati na elektrokemijske performanse materijala.

(5) Poboljšati tehnologiju proizvodnje baterija. Kada se baterija proizvodi, potrebno je kontrolirati vlažnost okoline i unošenje vlage tokom rada. Iz uzroka nastanka plina može se znati da će vlaga u zraku reagirati s materijalom pozitivne elektrode formirajući litij karbonat i ubrzavajući razgradnju elektrolita dajući ugljični dioksid. Pored toga, sam litijum titanatni materijal ima izuzetno snažnu apsorpciju vode (treba ga raditi u suhoj sobi). Nakon što negativni polni komad upije vlagu, reagirat će s PF5 proizvedenim reverzibilnim raspadanjem elektrolita u H2, pa je stroga kontrola vlage od ključne važnosti.