Viimased edusammud gaaside vähendamisel liitiumtitanaatpatareides

Liitiumtitanaadi (Li4Ti5O12, üldtuntud kui LTO) kosmoserühm kuulub Fd3m, spinellstruktuuri. Oma ainulaadse kolmemõõtmelise liitiumioonide difusioonikanali tõttu on selle eelised suurepäraste võimsusnäitajate ning hea kõrge ja madala temperatuuriga. Samal ajal suudab liitiumtitanaadi kristallstruktuur säilitada liitiumioonide deintersalatsioonitsükli ajal kõrge stabiilsuse ja mahu muutus on alla 1%, mis paneb aluse liitiumtitanaadi oluliseks negatiivse elektroodi materjaliks. Veelgi olulisem on see, et see välistab aku ohutuse varjatud ohud ja on tuntud kui liitiumpatareide jaoks kõige ohutum negatiivse elektroodi materjal. Liitiumtitanaadi füüsikaline struktuur sobib liitiumpatareide negatiivse elektroodi materjalina, millised on selle elektrokeemilised omadused? Võrreldes süsinikanoodimaterjalidega on liitiumtitanaadil suurem potentsiaal 1,55 V vs Li + / Li, teoreetiline võimsus 175mAh / g, avatud vooluahela pinge 2,4 V ning madalam energiatihedus ja pingeplatvorm.

Liitiumtitanaadi akude eeliseks on kõrge ohutus, kiire laadimine, pika tööiga jne. Kui aga negatiivse elektroodina kasutatakse liitiumtitanaati, on akul laadimis- ja tühjendustsükli ajal tõsine gaas, mis on tõsisem kõrged temperatuurid. Kuigi liitiumtitanaatakude gaaside uurimine ei ole kunagi lõppenud, sealhulgas süsiniku katte muutmine, hübridiseerimine, nanomeetriseerimine jms, ei ole gaaside tekke probleem täielikult lahendatud, mis takistab liitiumtitanaatakude turu edendamist.

1. Liitiumtitanaadi aku puhitusmehhanism

Akadeemiline üldsus usub, et põhjus, miks liitiumtitanaadi / NCM aku gaas on tõsisem kui grafiidil / NCM, on see, et liitiumtitanaat ei saa oma pinnale moodustada SEI kile nagu grafiitanoodisüsteemi aku, et pärssida selle reaktsiooni elektrolüüdiga . Laadimis- ja tühjendusprotsessi ajal on elektrolüüt alati otseses kontaktis Li4Ti5O12 pinnaga, mille tulemuseks on elektrolüüdi pidev reduktsioon ja lagunemine Li4Ti5O12 materjali pinnal, mis võib olla Li4Ti5O12 aku puhitus algpõhjus.

Gaasi põhikomponendid on H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8 jne. Kui liitiumtitanaat kastetakse ainult elektrolüüdi, tekib ainult CO2. Pärast seda, kui sellest on tehtud NCM-materjalidega aku, sisaldavad tekkivad gaasid H2, CO2, CO ja väikest kogust gaasilisi süsivesinikke. Laadimise ja tühjendamise ajal tekib H2 ning H2 sisaldus samal ajal toodetud gaasis ületab 50%. See näitab, et H2 ja CO gaas tekib laadimise ja tühjendamise käigus.

LiPF6-l on elektrolüüdis järgmine tasakaal:

PF5 on tugev hape, mis põhjustab kergesti karbonaatide lagunemist ja PF5 kogus suureneb temperatuuri tõustes. PF5 aitab elektrolüüdil laguneda, tekitades CO2, CO ja CxHy gaasi. Seotud uuringute kohaselt pärineb H2 elektrolüüdis olevast veest, kuid veesisaldus elektrolüüdis on tavaliselt umbes 20 × 10-6, mis aitab H2 tootmisel väga vähe kaasa. Shanghai Jiaotongi ülikooli Wu Kai kasutas oma katses akuna grafiiti / NCM111 ja jõudis järeldusele, et H2 allikaks on karbonaadi lagunemine kõrgepinge all.

2. Gaaside pidurdamine liitiumtitanaadi patareides

Praegu on liitiumtitanaatakude gaaside tekke pärssimiseks peamiselt kolm lahendust. Esiteks LTO anoodmaterjalide töötlemine ja modifitseerimine, sealhulgas täiustatud valmistamismeetodid ja pinna modifitseerimine jne; teiseks elektrolüütide väljatöötamine, mis sobivad LTO anoodidega, sealhulgas lisanditega, Solvent süsteem; kolmandaks, parandage akutehnoloogiat.

(1) Parandage tooraine puhtust ja vältige lisandite sattumist tootmisprotsessi käigus. Lisandosakesed katalüüsivad mitte ainult elektrolüüdi klassifikatsiooni gaasi tekitamiseks, vaid vähendavad ka liitiumaku tõhusust, tööiga ja ohutust. Seetõttu tuleb lisandite sattumist akusse minimeerida.

(2) Liitiumtitanaadi pind on kaetud nano-süsinikuosakestega. Negatiivse elektroodi LTO gaasi moodustumise ilmne põhjus on see, et SEI kile moodustub aeglasemalt ja vähem, mis viib selle eluga kaasneva gaaside nähtuseni. Uuringus leiti, et liitiumtitanaadi ja elektrolüüdi liidese vahel (näiteks nano-süsinik-kattekihi ehitamine liitiumtitanaadi pinnale (LTO / C) ja tahke elektrolüüdi liidese (SEI) kile) moodustati isoleerkiht. kattekiht) Ühelt poolt vähendatakse LTO materjali ja elektrolüüdi kokkupuutepinda, et vältida gaasi teket. Teiselt poolt võib süsinik ise toota SEI-filmi, et kompenseerida LTO puudumist, ja samal ajal võib see suurendada ka LTO-materjali juhtivust. Ülaltoodud uurimistulemused võivad lahendada liitiumtitanaadi patareide tootmise probleemi. Gaasikäitumisel on suur tähendus ja see soodustab suure energiaallikaga liitiumtitanaadi toitepatareide kujundamist, suuremahulist rakendamist ja arendamist.

(3) Parandage elektrolüüdi funktsionaalsust. Uute elektrolüütide väljatöötamiseks kipuvad paljud patendid kasutama lisandeid, et soodustada tiheda SEI-kile moodustumist LTO pinnal, et pärssida kõrvalreaktsioonide esinemist LTO ja elektrolüüdi vahelises liideses. Teatud elektrolüütide lisandid, näiteks fluoritud karbonaadid ja fosfaadid, soodustavad stabiilse SEI-kile moodustumist positiivse elektroodi pinnal, vähendades metalliioonide lahustumist positiivse elektroodi pinnal, vähendades seeläbi gaaside teket. Ka kilet moodustavad lisandid võivad gaasi tootmist pärssida. Lisatud kile moodustavate lisandite hulka kuuluvad liitiumboraat, suktsinonitriil või adiponitriil ja ühendid struktuuriga R-CO-CH=N2 (kus R on C1-C8 alküül või fenüül), tsükliline fosfaat, fenüülderivaadid, fenüülatsetüleeni derivaadid, LiF lisandid jne., need kilet moodustavad lisandid soodustavad kõik SEI-kile moodustumist LTO pinnal ja pärsivad teatud määral gaaside teket.

(4) Elektroodi positiivne pinnakate. Positiivse elektroodi pinna katmine stabiilse ühendiga, näiteks alumiiniumoksiidiga, võib tõhusalt pärssida metalliioonide lahustumist. Liiga keeruline kattekiht aga pärsib liitiumioonide deinterskalatsiooni ja mõjutab materjali elektrokeemilist jõudlust.

(5) Parandage akude tootmise tehnoloogiat. Kui aku on toodetud, on operatsiooni ajal vaja kontrollida keskkonna niiskust ja niiskuse sattumist. Gaasi tekkepõhjuse põhjal võib teada, et õhus olev niiskus reageerib positiivse elektroodimaterjaliga liitiumkarbonaadi moodustamiseks ja kiirendab elektrolüüdi lagunemist süsinikdioksiidi tekitamiseks. Lisaks on liitiumtitanaatmaterjalil endal ülitugev veeimavus (seda tuleb kasutada kuivas ruumis). Pärast seda, kui miinuspoolusega tükk neelab niiskuse, reageerib see PF5-ga, mis tekib elektrolüüdi pöörduva lagundamise teel, moodustades H2, nii et range niiskuse kontroll on hädavajalik.