Hva er de nye gjennombruddene i forskningsfremdriften for kraftlitiumbatterimaterialer

På grunn av begrensningene til kraftlitiumbatteriteknologi har nye energikjøretøyer lav rekkevidde, kort levetid (lave lade- og utladningstider) og høy dempningshastighet, noe som hindrer storskala bruk av nye energikjøretøyer. Nylig har Sør-Korea og Japan suksessivt annonsert gjennombrudd innen kraftlitiumbatterimaterialteknologi, og kostnadene for kraftlitiumbatterier vil reduseres i fremtiden.

På den 5. nasjonale vitenskaps- og teknologiinnovasjonskonferansen og det 4. Power Energy Summit Forum delte professor Wu Feng fra Beijing Institute of Technology og de fremmøtte gjestene forskningsfremgangen til kraftlitiumbatterier og relaterte materialer.

Den betydelige etterspørselen fra landet har fremmet et nytt sprang i utviklingen av kraftlitiumbatterier. Mens de sikrer sikkerhet, danner nye typer kraftlitiumbatterier med høy energi, høy effekt, lang levetid, lav pris og ingen forurensning industrier og kommer inn på markedet i henhold til ulike brukerbehov. Wu Feng sa at teknologiintegrasjonen mellom nikkelhydrogenbatteri, litiumionbatteri, høyspesifikk energi nytt systembatteri og superkondensator er veldig viktig. Denne teknologiintegrasjonen i seg selv er også en teknologisk innovasjon. Det vil åpne et nytt kapittel for utvikling av nye sekundære batterier i Kina sammen med Internett!

I utviklingen av kraftlitiumbatterier står følgende problemer overfor: kan en ny generasjon høyspesifikke energibatterier konstrueres? Kan vi løse sikkerhets- og pålitelighetsproblemene til batterier? Kan batteriets lange levetid oppnås? Kan kostnadseffektiviteten til batterier forbedres?

I 2015 var energitetthetsindeksen for kraftlitium-ion-batterier 120-180Wh/kg, og de viktige materialsystemene var litiumjernfosfatgrafitt og ternær grafitt. Energitetthetsindeksen for den nye generasjonen kraftlitium-ion-batterier i 2020 er: rikt litium (250mAh/g) - silisiumkarbon negativ elektrode: battericelle 300Wh/kg.

Forbedringen av energitettheten i kraftlitium-ion-batterier er ikke bare relatert til positive og negative elektrodematerialer, men krever også høyere krav til elektrolytten som brukes. Wu Feng uttalte at ved å bruke NCM-ternære positive elektrodematerialer og Si/C negative elektrodematerialer, kan et litiumionbatteri med høy spesifikk energi med en energitetthet på 319Wh/kg klargjøres.

Når det gjelder forskningsfremgangen på materialsystemet til 300Wh/kg kraftlitiumbatterier, uttalte Wu Feng at påvirkningen av divalent nikkelinnhold på litiumnikkelblandingsfenomenet i det ternære katodematerialet med høy nikkel NCM811 ble studert. Det ble funnet at tilsetning av et støkiometrisk forhold av litium kan øke innholdet av toverdig nikkel i materialet, og derved redusere litiumnikkelblandingen i materialet og forbedre materialets syklusstabilitetsytelse. I tillegg ble det fremstilt et ternært katodemateriale med høy nikkel (LiNi0.7Co0.15Mn0.15O2) med overlegen vekst av 010-krystallplanet, og elektrokjemiske målinger viste at materialet har utmerket hastighetsytelse. Og designe og utvikle en sfærisk hierarkisk struktur med vekst av elektrokjemiske aktive overflatefordeler, som betydelig forbedrer hastighetssyklusegenskapene og hastighetsytelsen til litiumrike manganbaserte materialer for litiumionbatterier.

I forskningen på negative elektrodematerialer ble SiO/CNx komposittelektroder uten bindemidler syntetisert ved direkte beleggingsmetode. Nitrogenholdig karbonnett kan buffer volumendringen under syklusprosessen, og danner et godt ledende nettverk på overflaten av SiO og gir en stabil kanal for elektronisk overføring. Og Si/Ni/grafitt komposittmaterialer ble syntetisert ved hjelp av høyenergikulefresemetoden. Metall Ni og grafitt flettet sammen for å danne et godt ledende nettverk, og nanokrystallinsk Si ble innebygd in situ i SiOx-matrisen, noe som forbedret den elektrokjemiske aktiviteten til SiOx.

Forskning på funksjonelle elektrolytter, design og utvikler en ny type slamelektrolytt som inneholder litiumsilikat, som betydelig forbedrer sikkerheten og syklusstabiliteten til høyspente litiumionbatterikatodematerialer. I tillegg er sikkerhetsfunksjonelle elektrolytter og tilsetningsstoffer utviklet: imidazolinon, pyridinringioniske væsker og flammehemmende fosfattilsetningsstoffer har blitt kombinert med filmdannende tilsetningsstoffer som butensulfitt for å utvikle en serie funksjonelle elektrolyttsystemer med flammehemmende og elektrokjemisk kompatibilitet. , betydelig forbedring av sikkerheten, påliteligheten og temperaturtilpasningsevnen til litiumion-batterier (utvider temperaturområdet fra -20 grader til +60 grader til -40 grader til+80 grader ) . Og en faststoffelektrolytt med en mesoporøs SiO2+ionisk flytende nettverksstruktur, som har et bredt elektrokjemisk vindu, høy termisk stabilitet og romtemperatur ioneledningsevne på 10-3S/cm, er utviklet, gi materiell støtte for å løse sikkerhetsproblemene til nye høyspesifikke energibatterier.

I tillegg til forskningen på batterimaterialer, har sekundære batterier trengt inn i ulike områder av nasjonaløkonomien og folks liv. Produksjonen av batterier har økt kraftig, noe som medfører et enormt miljø- og ressurspress på samfunnet. I følge salgsprognosen for nye energikjøretøyer i Kina, vil etterspørselen etter kraftlitiumbatterier alene nå 30 milliarder wattimer i 2020, og den negative påvirkningen på miljøet vil bli stadig mer alvorlig. Litiumressurser vil også bli stadig knappere. Ved å ta i bruk miljøvennlig teknologi for gjenvinning av naturlig organisk syre, har man oppnådd grønn og effektiv gjenvinning av brukte litium-ion-batterier (med litium- og koboltutlekkingshastigheter på henholdsvis 98 % og 94 %), som er overlegen prosessteknologien som bruker sterke syrer i utlandet og forhindrer sekundær forurensning i sterk syregjenvinningsbehandling.

Fremgang i forskning og utvikling av nye materialer for kraftlitiumbatterier

Vi håper virkelig å oppnå positive resultater når det gjelder materialer, noe som er ganske vanskelig for oss. Fra selskapets perspektiv har sikkerhet, pålitelighet og kostnadstekniske indikatorer fremsatt en rekke krav, blant annet bunnlinjeindikatorer og langsiktige utviklingsindikatorer er svært høye. Regjeringen og staten har fremmet svært høye krav til energitetthet for kraftlitiumbatterier. For prosjekter som nye energikjøretøyer og grunnleggende forskningsprosjekter annonsert i år, er det håp om at energitettheten til litium-ion-batterier kan nå 400Wh/kg, og energitettheten til nye systembatteriprøver kan nå 500Wh/kg. For bedriften er 300Wh/kg heller ikke lett, og mange nye systemer må utvikles. Kravet til «Made in China 2025» er å oppnå en vekt på 400wh/kg eller over, og det er fortsatt et betydelig gap mellom nøkkelordene i noen av de foreslåtte metodene, som er batterier.

Fra perspektivet til produktindikatorer, la oss sammenligne de relevante kravene til ulike nasjonale myndigheter. Nettopp nevnt "Made in China 2025", nedenfor er konkurransen mellom Japan og USA. I år er det lansert tre spesialprosjekter, som alle involverer kraftlitiumbatterier.

Alle håper å oppnå 400wh/kg i fremtiden, hvorfor setter vi denne indikatoren? Hovedsakelig på grunn av sikkerhetshensyn til litium-ion-batterier. For å ta BAIC New Energy EV200 som eksempel, er energiforbruket per 100 kilometer 14 kWh, og levetidskravet er 10 år og 200 000 kilometer. Men kostnadene er nå betydelig redusert. Den fremtidige utviklingen av kraftlitium-ion-batterier vil gi betydelig høyere kostnader for å oppnå samme rekkevidde sammenlignet med dagens situasjon. Derfor, hvis kraftlitium-ion-batteriene til elektriske kjøretøyer ikke utvikler seg til høy energi, vil de møte mer intens konkurranse i rene elektriske kjøretøy i fremtiden, og kan til og med bli overveldet av drivstoffbatterier.

Fra et praktisk utviklingsperspektiv er den samlede utviklingen langsom og relativt stabil. Det viktigste er oppgradering og utskifting av teknologi og materialer. Selv om vi følger ruten, hvis vi kan holde tritt med dagens utviklingshastighet, kan du oppnå 300 wattimer per kilo innen 2020 og 390 wattimer per kilo innen 2030. Hvordan kan vi gradvis oppnå dette veikartet? For det andre, kan vi oppnå 400 wattimer per kilogram eller enda høyere?

Liquid electrolyte litium-ion batteri har utviklet tre generasjoner, og i fjor var det en detaljert introduksjon. Det viktige er at når det gjelder positive elektrodematerialer, blir hver av dem oppgradert og erstattet, noe som øker spenningen eller kapasiteten; En viktig endring i det negative elektrodeaspektet er introduksjonen av nano-silisiumkarbon i elektrolytten i energibatterier, sammen med noen teknikker som keramisk belagte separatorer. Hvor høyt kan litium-ion-batteriet vi ser på nå lages? Lav energitetthet er faktisk veldig bra, det ofrer resirkulerbarhet, for ikke å snakke om sikkerhet, og oppnår høy energi. Det betyr imidlertid ikke at resirkulerbarheten ikke kan forbedres, men det krever en del detaljert og grunnleggende forskning. Dette er et undersøkelsesselskap i Frankrike som har sett flere og flere meninger om materialer. Nå er mange team og kolleger kjent med det, så jeg vil ikke gå i detalj.

Når det gjelder batterimaterialer, er det imidlertid mange problemer og ytelseskrav, og minst 13 eller flere teknologier har blitt tatt i bruk for å løse disse problemene. Hver ledning har mange detaljerte teknologier og innhold. Når du bytter ut et materiale, vil hele batteriet gjennomgå komplekse endringer, og utviklingen av dette batterimaterialet går spesielt tregt, og tar vanligvis mer enn ti år. Mange team og selskaper utvikler allerede 300 watt-timer per kilogram litium-ion-batterier. Det vanskeligste problemet på dette området nå er at høy negativ elektrodekapasitet fører til høy volumutvidelse, noe som er svært vanskelig for deg å håndtere på batterinivå. Kjerneproblemet er hvordan man løser volumutvidelsen etter lading for å møte kravene til dagens batteriselskaper. I tillegg er implementering av disse høye energitetthetene mulig, men kan deres omfattende tilgangsindikatorer oppfylle applikasjonskravene? Jeg er ikke sikker på hva slags øvre grense det er, men det er noen løsninger i den. Vi vil ikke diskutere tidsforholdet i detalj. Vi ønsker alle velkommen til å få muligheten til å utveksle teknologi på dette området.

I tillegg må myndighetene produsere 400wh/kg og 500wh/kg. Etter beregning er det en modell som inkluderer grafitt negativ elektrode og silisium negativ elektrode metall litium. Hvis den når 800 watt eller mer, er det fortsatt en sjanse. Det finnes fortsatt noen løsninger for 400wh/kg og 500wh/kg, men det er svært vanskelig å få til. NC kan nå opp til 200, negativ litium kan nå 300, og forskjellige negative elektrodematerialer krever systematisk beregning. Fra et beregningsmessig perspektiv ser det ut til at det fortsatt er noen positive og negative elektrodematerialer som oppnår høy tetthet gjennom matching. De forrige beregningene var alle virtuelle, og arbeidet til det kinesiske vitenskapsakademiet i denne forbindelse. For å styrke forsknings- og utviklingsprestasjoner, fremme økonomisk utvikling og løse praktiske problemer, har det kinesiske vitenskapsakademiet lansert et strategisk pilotprosjekt i A-klassen. Et av disse prosjektene er nanomaterialprosjektet, som har som mål å gi konsentrert støtte til nanoteknologien som Akademiet har forsket på de siste 20 årene. Håpet er at dette vil være nyttig for bransjen. Det første av disse prosjektene er kraftlitiumbatteriet, og nanomaterialer og nanoteknologi vil sannsynligvis bli brukt.

Kravene til denne typen prosjekter ble foreslått av viseminister Yin og Jun, som opprinnelig var ansvarlig for dette prosjektet. Arbeidet vårt skal ha klare mål, være brukbart og vurderebart. Etter tredjepartsvurdering er det mange indikatorer for å vurdere nivået på materialer og teknologi som brukes, om det er noen påvirkning og påvirkning på evne. Derfor er denne typen prosjekter svært vanskelig. Han foreslo spesifikke indikatorer, og landet har foreslått å oppnå 300 wattimer per kilogram innen 2020 og 150 wattimer per kilogram innen 2015. Industrialiseringen av relaterte batterimaterialer, som positive elektrodeelektrolytter, separatorer, og så videre, bør også begynne. . For å gjennomføre dette prosjektet er det satt opp flere viktige oppgaver. Den ene er å bevilge 60 % av budsjettet til 70 % av driftsutgiftene for litiumionbatterier, utvikling av positive og negative elektroder med høy energi, høyspentelektrolytter og høysikkerhetsseparatorer integrert i kraftlitiumionbatterier. På sikt må vi legge ut solid-state batterier, og luftbatterier har også blitt arrangert i denne forbindelse. I morges nevnte lærer Chen også testnivået. Det er fortsatt et visst testnivå i Kina, men to plattformer er etablert. La meg kort rapportere resultatene. Det er 12 enheter med et forsknings- og utviklingsteam på ca. 300 personer, som dekker ulike aspekter. Den ene er den negative silisiumelektroden, og jeg har jobbet med vitenskapelig og teknologisk forskning og utvikling på dette området i 19 år, noe som er ganske vanskelig. Jeg har utviklet dette prosjektet fra et applikasjonsperspektiv nylig, og de viktige tekniske rutene inkluderer to kategorier: SiOx/C og Nano Si. Det viktige er å kontinuerlig iterere fra de omfattende tekniske indikatorene. Etter å ha mottatt støtte i 2013 kan vi oppnå en batchstørrelse på 500 kilo, som hovedsakelig er basert på omfattende designbetraktninger. Det jeg viser her er at ideene våre ikke er ekte ting. Det er fortsatt veldig vanskelig å importere tilsetningsstoffer og så videre, og vanskeligheten i nanodiskusjonen er hvordan man kan få tak i 100 yuan per kilogram nanosilisium.

Hvordan dispergere nano silisium jevnt i partikler?

Det vi nå oppnår er et materiale som sprer nano-silisium til partikler og kan gå inn i masseproduksjon. I et materiale på 450 milliampere per time er det generelt en høykapasitetsbelastning som kan sykles rundt 500 ganger. Det tidligere utviklede silisiumoksidet er imidlertid fortsatt under utvikling, men effektiviteten er lav og den høye kapasiteten til nano silisiumkarbon er ikke en tilfredsstillende løsning. Derfor utvikler vi en ny generasjon silisiumrike oksidmaterialer, Reduser utfordringene det medfører.

Dette nye materialselskapet er for tiden rangert som tredje eller andre i Kina, noe som løser en rekke tekniske problemer. Jeg vil ikke gå i detalj om det. Det har vært fremgang i negative elektrodematerialer, men vi har akkumulert relativt lite i positive elektrodematerialer. Etter støtten til dette prosjektet er det viktig å fokusere på det høye kapasitetsnivået. Den vanskelige delen av dette materialet er spenningsdempning. I dette arbeidet er det viktig å rekonstruere overflatestrukturen for å løse problemet med spenningsdempning. Derfor kan det begynne å prøve. I år er den på nivået 500 kilo.

Et annet materiale er høyspent spinell, som er relativt lett å bytte over. Det vanskeligste er at etter bruk av dette materialet, må elektrolytten og andre aspekter oppgraderes omfattende, så dette aspektet må fortsatt forbedres, spesielt for problemet med høy temperatur på 55 grader. For å løse problemet med høyspent litiumrike materialer, er dette veldig viktig og også svært utfordrende i Kina. Nå kan den sirkulere relativt stabilt under høy spenning, og det er også tilsetningsstoffer i elektrolytten. Vi føler at det fortsatt er litt problematisk å bruke separatoren direkte, så vi må utvikle en keramisk separator og bruke cellulose som underlag, som er motstandsdyktig mot høye temperaturer. Det ser imidlertid ut til at dette til syvende og sist ikke kan brukes i våre batterier. Det viktigste er konsistens og stabilitet. Det er for øyeblikket i fasen av testing i liten til middels skala, men det er et visst håp for fremtiden. Faktisk har vi også utviklet en ioneledende beleggseparator med celluloseseparator og keramiske partikler.

Grafen har blitt utviklet i lang tid, og beleggteknologien kan oppnå masseproduksjonsnivåer på titalls tonn. Et foreløpig batteri ble laget av samme materiale, som kan oppnå 375 wattimer per kilo. Imidlertid er resirkulerbarheten dårlig, og dens lave kapasitet er bra for sykling. Det viktige er hvordan man løser en rekke hjelpemateriellproblemer under ekspansjon med høyt volum.

Til slutt, la meg introdusere solid-state metallisk litium. Når det gjelder teoretiske beregninger, er det en forbedring i litium-ion-batterier. Det er også en mulighet for å bruke litium-ion-batterier, som metalliske litium-ion-batterier og luftbatterier, som inkluderer forskjellige batterisystemer som oksygen, vann og karbondioksid. I de nettopp beregnede resultatene kan man se at grønt metallisk litium er høyere, mens negativ silisiumelektrode er kraftigere. Hvis det brukes 2000mAh silisium, sammenlignet med utvidelsen på over 200, er utvidelsen av litium relativt lettere å løse. Hvis det påvirker elektrisitet med høyere energi, kan ideen om å bruke et postbatteri fortsatt brukes, men det er fortsatt noen utfordringer når det gjelder mekanikk og så videre.

Litium-ion-metallbatterier har blitt utviklet i over 50 år, spesielt på 1980- og 1990-tallet da det var alvorlige problemer, og det er foreløpig ingen bevis som tyder på at litium-ion-metallbatterier er trygge. Problemet med å bruke litium-ion-metallbatterier for modifikasjon er at ujevn avsetning og nedbør er forskjellig fra grafitt og silisium. For det andre er SEI-filmen ustabil, så mange håper fortsatt å bruke solid state-løsninger for å løse dette problemet. Et nøkkelpoeng med solid state-teknologi er at det kan løses i teorien, så det er mange sikkerheter og fordeler, så vel som fordelene med sykluskoeffisient. I tillegg kan den også brukes til intern strenging, for eksempel polymerbasert, og tilsetning av noen flytende elektrolytter. Mange selskaper har investert mye i det internasjonalt, men fra et praktisk perspektiv er batterier med høy energitetthet ennå ikke utviklet. Nøkkelspørsmålet her er hvordan man løser motstanden til den positive elektroden.

Fra perspektivet til industriell utvikling er forskjellen mellom solid-state-batterier solid-state elektrolytter, som kan bruke metall litium-ion-batterier. Lithium-ion-batterier er også veldig kraftige, noe som faktisk er i utviklingen av industrien. Når nøkkelmaterialene til battericelleteknologi kan brytes gjennom, kan de raskt komme inn på markedet. Derfor har vi foreslått et veikart, kanskje det tidligste å produsere batteripakker er i 2019, I 2020 er det mulig å teste kommersialiseringsnivået. Noen alle solid state-batterier er fortsatt relativt trege, og sannelig kan alle solid state-batterier ta lengre tid. Batterier med litt mer væskeinnhold vil være raskere fordi de balanserer energitetthet og sikkerhet.

Sør-Korea: 45 % økning i kraftlitiumbatterikapasitet

Ifølge informasjon fra nettversjonen av det akademiske tidsskriftet «Natural Energy» har et forskerteam fra Ulsan Institute of Science and Technology (UNIST) i Sør-Korea nylig utviklet katodematerialer for sekundære batterier, som kan øke den eksisterende batterikapasiteten med 45 %, noe som legger til minst 100 kilometer til dagens rekkevidde på over 200 kilometer for elektriske kjøretøy.

Forskerteamet lyktes med å øke batterikapasiteten ved å utvikle grafitt silisium komposittmaterialer for å erstatte eksisterende batterier med grafittelektroder. Den nye elektroden er laget ved å injisere silisiumpartikler på 20 nanometer (1 milliarddel av en meter) mellom grafittmolekyler. I tillegg til å øke rekkevidden, forkorter den nye teknologien lade- og utladingstiden kraftig, og batteriets lade- og utladingshastighet er også mer enn 30 % raskere enn eksisterende batterier.

Industrien forventer at masseproduksjon av slike nye batterier vil bli enklere og vil ha et sterkt priskonkurransefortrinn i fremtiden.

Japan: Utviklet litium-ion-batterier som ikke krever kobolt

I følge opplysninger fra Panasonic Electric har Japan utviklet et nytt materiale for litium-ion-batterier som ikke krever det sjeldne metallet kobolt, og har også utviklet en ny type litium-ion-batterier.

Et forskerteam ledet av professor Runichi Yoshida fra Kyoto University of Panasonic Electric Appliances i Japan har utviklet et organisk nytt materiale ved bruk av litium og karbon, og med suksess produsert en ny type litium-ion-batteri som ikke bruker kobolt som elektrodemateriale. Forsøksresultatene viser at batterier produsert med nye materialer har samme kapasitet som litium-ion-batterier med koboltholdige materialer som elektroder. Denne typen litium-ion-batterier forventes å bryte fri fra avhengighet av kobolt og redusere produksjonskostnadene betydelig.

En annen fordel med å produsere litium-ion-batterier med dette nye materialet er at batterilevetiden er lengre og nedbrytningshastigheten er lavere. De eksperimentelle resultatene viser at litium-ion-batteriet produsert av dette nye materialet har blitt ladet og utladet 100 ganger, men kapasitetsdegraderingen til batteriet overstiger ikke 20 %. Panasonic Electric planlegger å forbedre dette nye materialet, i håp om å øke batteriets lade- og utladningsfrekvens til 500 til 1000 ganger, og deretter fortsette med kommersiell produksjon.