Последният напредък в потискането на метеоризма в литиево-титанатните батерии

Литиевият титанат (Li4Ti5O12, известен като LTO), космическата група принадлежи към структурата Fd3m, шпинел. Поради уникалния си триизмерен литиево-йонен дифузионен канал, той има предимствата на отлични характеристики на мощността и добри характеристики при висока и ниска температура. В същото време кристалната структура на литиевия титанат може да поддържа висока стабилност по време на цикъла на деинтеркалация на литиевия йон и промяната в обема е по-малка от 1%, което поставя основата на литиевия титанат да стане важен отрицателен електроден материал. По-важното е, че елиминира скритите опасности за безопасността на батериите и е известен като най-безопасният материал с отрицателни електроди за литиеви батерии. Физическата структура на литиевия титанат е подходяща като отрицателен електрод за литиеви батерии, така че какви са неговите електрохимични характеристики? В сравнение с въглеродните анодни материали, литиевият титанат има по-висок потенциал от 1,55 V срещу Li + / Li, теоретичен капацитет от 175 mAh / g, напрежение в отворена верига от 2,4 V и по-ниска енергийна плътност и напрежение на платформата.

Литиево-титанатните батерии имат предимствата на висока безопасност, високоскоростно зареждане, дълъг живот на цикъла и др. Когато обаче литиевият титанат се използва като отрицателен електрод, батерията ще има сериозни газове по време на цикъла на зареждане и разреждане, което е по-сериозно при високи температури. Въпреки че изследванията върху метеоризма на литиево-титанатните батерии никога не са спирали, включително модификация на въглеродно покритие, хибридизация, нанометризация и др., Проблемът с метеоризма не е напълно решен, което пречи на пазарното популяризиране на литиево-титанатните батерии.

1. Механизъм на метеоризъм на литиево-титанатната батерия

Академичната общност вярва, че причината метеоризмът на литиевия титанат / NCM батерията да е по-сериозен от този на графита / NCM е, че литиевият титанат не може да образува SEI филм на повърхността си като батерия от графитен анод, за да инхибира реакцията му с електролита . По време на процеса на зареждане и разреждане електролитът винаги е в пряк контакт с повърхността на Li4Ti5O12, което води до непрекъснато намаляване и разлагане на електролита на повърхността на материала Li4Ti5O12, което може да е основната причина за метеоризма на батерията Li4Ti5O12.

Основните компоненти на газа са H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 и др. Когато литиевият титанат е потопен само в електролита, се получава само CO2. След като се направи в батерия с NCM материали, произведените газове включват H2, CO2, CO и малко количество газообразни въглеводороди. По време на зареждане и разреждане се получава H2, а съдържанието на H2 в получения газ по същото време надвишава 50%. Това показва, че по време на процеса на зареждане и разреждане ще се генерират H2 и CO газ.

LiPF6 има следния баланс в електролита:

PF5 е силна киселина, която лесно причинява разлагането на карбонатите и количеството на PF5 се увеличава с повишаването на температурата. PF5 помага на електролита да се разложи, за да произведе CO2, CO и CxHy газ. Според свързани изследвания генерирането на H2 идва от следи от вода в електролита, но съдържанието на вода в електролита обикновено е около 20 × 10-6, което допринася много малко за производството на H2. Ву Кай от университета в Шанхай Jiaotong използва графит / NCM111 като батерия в своя експеримент и стига до заключението, че източникът на H2 е разграждането на карбоната под високо напрежение.

2. Инхибиране на метеоризма в литиево-титанатните батерии

Понастоящем има основно три решения за инхибиране на метеоризма на литиево-титанатните батерии. Първо, обработката и модификацията на LTO анодни материали, включително подобрени методи за подготовка и модификация на повърхността и др .; второ, разработването на електролити, които съответстват на LTO аноди, включително добавки, система с разтворители; трето, подобряване на технологията на батерията.

(1) Подобрете чистотата на суровините и избягвайте въвеждането на примеси по време на производствения процес. Примесните частици не само ще катализират класификацията на електролита за генериране на газ, но също така значително ще намалят производителността, живота на цикъла и безопасността на литиевата батерия. Следователно въвеждането на примеси в батерията трябва да бъде сведено до минимум.

(2) Повърхността на литиевия титанат е покрита с нано въглеродни частици. Видимата причина за образуването на газ в отрицателния електрод LTO е, че образуването на SEI филма е по-бавно и по-малко, което води до феномена на метеоризъм, съпътстващ живота му. Проучването установи, че между литиевия титанат и електролитния интерфейс е установен изолиращ слой (като изграждане на нано-въглероден покривен слой върху повърхността на литиев титанат (LTO / C) и филма на твърдия електролитен интерфейс (SEI), образуван върху покривен слой) От една страна, контактната площ между LTO материала и електролита се намалява, за да се предотврати образуването на газ. От друга страна, самият въглерод може да произведе SEI филм, за да компенсира липсата на LTO, и в същото време, той също може да подобри проводимостта на LTO материала. Горните резултати от изследванията могат да решат проблема с производството на литиево-титанатни батерии. Газовото поведение е от голямо значение и насърчава проектирането и широкомащабното приложение и разработването на високоенергийни литиеви титанатни батерии.

(3) Подобрете функционалността на електролита. За разработването на нови електролити, много патенти са склонни да използват добавки, за да насърчат образуването на плътен SEI филм на повърхността на LTO, за да потиснат появата на странични реакции на границата между LTO и електролита. Някои електролитни добавки, като флуорирани карбонати и фосфати, са благоприятни за образуването на стабилен SEI филм върху повърхността на положителния електрод, намалявайки разтварянето на метални йони върху повърхността на положителния електрод, като по този начин намалява образуването на газ. Филмообразуващите добавки също могат да инхибират производството на газ. Добавените филмообразуващи добавки включват литиев борат, сукцинонитрил или адипонитрил и съединения със структурата на R-CO-CH=N2 (където R е C1-C8 алкил или фенил), цикличен фосфат, фенилни производни, фенилацетиленови производни, LiF добавки и др., всички тези филмообразуващи добавки благоприятстват образуването на SEI филм на повърхността на LTO и до известна степен инхибират появата на метеоризъм.

(4) Положително покритие на повърхността на електрода. Покриването на повърхността на положителния електрод със стабилно съединение, като алуминиев триоксид, може ефективно да инхибира разтварянето на метални йони. Прекалено сложният покривен слой обаче ще инхибира деинтеркалацията на литиеви йони и ще повлияе на електрохимичните характеристики на материала.

(5) Подобрете технологията за производство на батерии. Когато батерията е произведена, е необходимо да се контролира влажността на околната среда и въвеждането на влага по време на операцията. От причината за газа може да се знае, че влагата във въздуха ще реагира с материала на положителния електрод, образувайки литиев карбонат и ще ускори разграждането на електролита, за да генерира въглероден диоксид. Освен това самият материал от литиев титанат има изключително силно абсорбиране на вода (трябва да се експлоатира в сухо помещение). След като отрицателният полюс попие влага, той ще реагира с PF5, произведен от обратимото разлагане на електролита, за да образува Н2, така че строгият контрол на влагата е от съществено значение.