Ионные аккумуляторы. Литий-ионные аккумуляторы: технологии, применение и перспективы развития

Что такое литий-ионные аккумуляторы. Как они устроены и работают. Где применяются литий-ионные батареи. Каковы преимущества и недостатки этой технологии. Какие перспективы развития у литий-ионных аккумуляторов.

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он устроен

Литий-ионный аккумулятор — это перезаряжаемый источник тока, в котором носителями заряда являются ионы лития. Такие аккумуляторы состоят из следующих основных компонентов:

• Катод — положительный электрод, обычно из оксидов или фосфатов лития и других металлов
• Анод — отрицательный электрод, как правило из графита
• Электролит — проводящая среда, в которой происходит движение ионов лития
• Сепаратор — пористая мембрана, разделяющая катод и анод
• Токосъемники — металлические пластины для съема тока с электродов
• Корпус — герметичная оболочка, содержащая все компоненты

Принцип работы литий-ионного аккумулятора основан на обратимом перемещении ионов лития между катодом и анодом через электролит. При зарядке ионы лития движутся от катода к аноду, а при разрядке — в обратном направлении, генерируя электрический ток во внешней цепи.

Основные сферы применения литий-ионных аккумуляторов

Благодаря своим характеристикам литий-ионные аккумуляторы нашли широкое применение в различных областях:

• Портативная электроника — смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотоаппараты
• Электротранспорт — электромобили, электробусы, электросамокаты
• Энергетика — накопители энергии для солнечных и ветряных электростанций
• Космическая отрасль — электропитание спутников и космических аппаратов
• Медицина — кардиостимуляторы, слуховые аппараты, портативное медоборудование
• Военная техника — радиостанции, приборы ночного видения, беспилотники

Какие преимущества позволили литий-ионным аккумуляторам занять лидирующие позиции на рынке? Разберем основные достоинства этой технологии.

Преимущества литий-ионных аккумуляторов перед другими типами батарей

Литий-ионные аккумуляторы обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей:

• Высокая удельная энергоемкость (150-200 Вт*ч/кг)
• Низкий саморазряд (2-3% в месяц)
• Отсутствие эффекта памяти
• Большое количество циклов заряда-разряда (500-1000)
• Широкий диапазон рабочих температур (-20°C до +60°C)
• Возможность быстрой зарядки
• Высокий КПД (более 90%)

Именно эти характеристики обеспечили литий-ионным аккумуляторам доминирующее положение на рынке. Однако у данной технологии есть и определенные недостатки.

Недостатки и ограничения литий-ионных аккумуляторов

К основным недостаткам литий-ионных аккумуляторов можно отнести следующие факторы:

• Высокая стоимость производства
• Необходимость защитной электроники
• Деградация при хранении и эксплуатации
• Опасность возгорания при повреждении
• Чувствительность к глубоким разрядам
• Ограниченный ресурс лития

Эти недостатки стимулируют исследования альтернативных технологий аккумуляторов. Однако литий-ионные батареи продолжают активно совершенствоваться. Какие направления развития этой технологии наиболее перспективны?

Перспективные направления развития литий-ионных аккумуляторов

Основные усилия исследователей и производителей литий-ионных аккумуляторов сосредоточены на следующих направлениях:

• Увеличение удельной энергоемкости за счет новых материалов электродов
• Повышение безопасности путем использования твердых электролитов
• Ускорение процесса зарядки аккумуляторов
• Увеличение срока службы и количества циклов заряда-разряда
• Снижение стоимости производства
• Разработка технологий вторичной переработки

Успехи в этих областях позволят в ближайшие годы значительно улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов и расширить сферы их применения.

Альтернативы литию: натрий-ионные и другие типы аккумуляторов

Несмотря на доминирование литий-ионной технологии, активно ведутся исследования альтернативных типов аккумуляторов. Наиболее перспективными считаются:

• Натрий-ионные аккумуляторы
• Литий-серные батареи
• Твердотельные аккумуляторы
• Цинк-воздушные батареи
• Графеновые суперконденсаторы

Каждая из этих технологий имеет свои преимущества и недостатки. Однако пока ни одна из них не способна полностью заменить литий-ионные аккумуляторы во всех сферах применения.

Экологические аспекты производства и утилизации литий-ионных батарей

Растущее производство литий-ионных аккумуляторов поднимает ряд экологических вопросов:

• Добыча лития и других компонентов наносит ущерб окружающей среде
• Производство батарей сопряжено с большими энергозатратами
• Утилизация отработавших аккумуляторов представляет сложность
• При неправильной утилизации батареи загрязняют почву и воду

Для решения этих проблем разрабатываются более экологичные методы добычи сырья, технологии безотходного производства и эффективные способы переработки аккумуляторов. Это позволит сделать литий-ионные батареи более экологически чистыми.

Заключение: роль литий-ионных аккумуляторов в современном мире

Литий-ионные аккумуляторы играют ключевую роль в развитии современных технологий. Они обеспечивают автономность портативной электроники, способствуют распространению электротранспорта и возобновляемой энергетики. Несмотря на определенные недостатки, эта технология продолжает совершенствоваться и в обозримом будущем останется основным типом перезаряжаемых источников тока. Дальнейшее развитие литий-ионных аккумуляторов будет способствовать технологическому прогрессу и переходу к более экологичной экономике.

Литий-ионные аккумуляторы для резервного и автономного электроснабжения и для электротранспорта

• Аккумуляторы и для АБ
• Литиевые

Литий-ионные аккумуляторы для резервного и автономного электроснабжения и для электротранспорта. В категории представлены в основном литий-железо-фосфатные аккумуляторы, потому что они наиболее безопасные и имеют большой срок службы. Они также обладают наиболее низкой ценой хранения энергии вследствие возможности глубокого разряда и большого количества циклов заряд-разряд. Аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, безопасны и просты при производстве, что делает их недорогими и доступными.

Сортировка: По умолчаниюНазвание (А — Я)Название (Я — А)Цена (низкая > высокая)Цена (высокая > низкая)Рейтинг (начиная с высокого)Рейтинг (начиная с низкого)Код Товара (А — Я)Код Товара (Я — А)

Показать: 24255075100

12.8В MNB LP15-12100 LiFePO4 аккумулятор…

Ожидается в январе 2023, возможен предзаказ. Литий-железофосфатные аккумуляторы в настоящее время являются неотъемлемым элементом автономных систем электроснабжения, а также систем с максима..

Преимущества:

45010 ‎₽

LFP 51.2-100-3U, 100 А*ч 51.2В Аккумулятор…

Литий-железо-фосфатный аккумулятор Vektor LFP 51.2-100-3U — это качественные батареи, применяющиеся в автономных энергетических установках, электротранспорте, солнечной энергетике и дру..

Преимущества:

210280 ‎₽

8ЛИП-100 100А*ч 25,6В LiFePo4 аккумулятор …

Аккумуляторная литий-железо-фосфатная батарея ЛИП-ВСД со встроенным BMS предназначена для питания нагрузки постоянного тока напряжением 25 (24) В. В аккумуляторе использованы качес..

95200 ‎₽

48В 100Ач Delta Powerwall LiFePo4 аккумулятор…

POWERWALL – новая линейка литиевых накопителей постоянного тока для частных домовладений и малых коммерческих объектов. Продукт уникален тем, что весь цикл разработки и производства нак..

199003 ‎₽

12,8В 200А*ч LiFePo4 аккумулятор

Аккумуляторная литий-железо-фосфатная батарея 12,8В 200Ач со встроенным BMS, предназначена для использования в системах автономного и резервного питания. Литий-железо-фосфатные (Li..

Преимущества:

87150 ‎₽

12,8В 150А*ч LiFePo4 аккумулятор

Аккумуляторная литий-железо-фосфатная батарея 12,8В 150Ач со встроенным BMS, предназначена для использования в системах автономного и резервного питания. Литий-железо-фосфатные (Li..

Преимущества:

63700 ‎₽

3,2В ЛИП-72 LiFePO4 аккумулятор

Литий-ионные LiFePO4 аккумуляторы – это универсальные источники тока, позволяющие создавать экономичные и безопасные накопители энергии для электротранспорта, энергетики и бытового..

8820 ‎₽

3,2В ЛИП-100 LiFePO4 аккумулятор

Литий-ионные LiFePO4 аккумуляторы – это универсальные источники тока, позволяющие создавать экономичные и безопасные накопители энергии для электротранспорта, энергетики и бытового. .

10500 ‎₽

LiFePO4 3,2В 200 А*ч аккумулятор

Ячейки призматической конструкции на основе литий-железо-фосфатной технологии (LiFePO4). При производстве аккумуляторов используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-..

13300 ‎₽

3,2В 150А*ч LiFePo4 аккумулятор

Ячейки призматической конструкции на основе литий-железо-фосфатной технологии (LiFePO4). При производстве аккумуляторов используется наноструктурированный катодный материал литий-железо-..

8400 ‎₽

48В 100А*ч Pylontech US3000С литий-ионный аккумуля…

Литий-железо-фосфатные (LiFePo4) аккумуляторы выгодно отличаются от традиционных свинцово-кислотных высокой плотностью заряда на килограмм веса, широким диапазоном рабочей температуры и высок..

165550 ‎₽

LFP 51,2-100PW-SB 51В 100 А*ч Power Wall

Литиевый накопитель электроэнергии, типа Powerwall Более длительный срок службы: Обеспечивает до 10 раз большее количество циклов разряда/заряда и в 5 раз более продолжительный срок службы.

.

258290 ‎₽

Элемент FR14G505 (FR6) ХИТ

Элемент FR14G505 (FR6) – электрохимической системы литий/дисульфид железа с органическим электролитом типоразмера АА одноразового применения. Элемент предназначен для использования в ка..

172 ‎₽

Элемент FR10G445 (FR03) ХИТ

Элемент FR10G445 (FR03) – электрохимической системы литий/дисульфид железа с органическим электролитом типоразмера ААА одноразового применения. Элемент предназначен для использования в ..

156 ‎₽

5 А*ч INR21700 литиевый аккумулятор…

Аккумуляторы типоразмера 2170021700 — типоразмер набирающий популярность. Он заменяет типоразмер 18650 уже во многих устройствах, т.к. имеет большую емкость. Аккумуляторы данного типа ис..

559 ‎₽

3 А*ч INR18650 литиевый аккумулятор…

Аккумуляторы типоразмера 18650Аккумуляторы типоразмера 18650 — это «универсальный солдат» по применяемости – от обыкновенных фонариков, до сложных аккумуляторных сборок из н. .

508 ‎₽

2,6 А*ч ICR18650 литиевый аккумулятор…

Аккумуляторы типоразмера 18650Аккумуляторы типоразмера 18650 — это «универсальный солдат» по применяемости – от обыкновенных фонариков, до сложных аккумуляторных сборок из н..

432 ‎₽

2,2 А*ч ICR18650 литиевый аккумулятор…

Аккумуляторы типоразмера 18650Аккумуляторы типоразмера 18650 — это «универсальный солдат» по применяемости – от обыкновенных фонариков, до сложных аккумуляторных сборок из н..

350 ‎₽

1.5 А*ч INR18650 литиевый аккумулятор…

Аккумуляторы типоразмера 18650Аккумуляторы типоразмера 18650 — это «универсальный солдат» по применяемости – от обыкновенных фонариков, до сложных аккумуляторных сборок из н..

319 ‎₽

LFP51-100PW-SB 51В 100 А*ч Power Wall

Аккумулятор Vektor Energy LFP 51-100PW-SB  Новый ЖК-дисплей с сенсорным экраном, дизайн Sky Blue, плата совместимости с инверторами, конфигурация Wall Mount. Литий-железо-фосфатны..

258290 ‎₽

LFP48-100PW-SB 48В 100 А*ч Power Wall

Аккумулятор Vektor Energy LFP 48-100PW-SB  Новый ЖК-дисплей с сенсорным экраном, дизайн Sky Blue, плата совместимости с инверторами, конфигурация Wall Mount. Литий-железо-фосфатны..

246300 ‎₽

51.2В Аккумулятор LFP 51.2-100M, ВЕКТОР, 100 А*ч…

Более длительный срок службы: Обеспечивает до 10 раз большее количество циклов разряда/заряда и в 5 раз более продолжительный срок службы, чем у свинцово-кислотных батарей. Минимизирует сто..

210250 ‎₽

48В Аккумулятор LFP 48-100M, ВЕКТОР, 100 А*ч…

Более длительный срок службы: Обеспечивает до 10 раз большее количество циклов разряда/заряда и в 5 раз более продолжительный срок службы, чем у свинцово-кислотных батарей. Минимизирует сто..

199020 ‎₽

48В 100А*ч Pylontech US5000С литий-ионный аккумуля.

..

Литий-железо-фосфатные (LiFePo4) аккумуляторы выгодно отличаются от традиционных свинцово-кислотных высокой плотностью заряда на килограмм веса, широким диапазоном рабочей температуры и высок..

210000 ‎₽

Показано с 1 по 24 из 33 (всего 2 страниц)

‘; html += ‘

‘ + json[i][‘label’] + ‘

‘; html += ‘

‘ + json[i][‘special’] + ‘

‘; if(json[i][‘special’]){ html += ‘

‘ + json[i][‘price’] + ‘

[]

{«product_page»:{«price»:»#content .product-price-container»,»special»:»#content .product-special-container»,»price_parent»:».product-price-line»,»quantity»:»#product input[name=quantity]»,»button_minus»:»»,»button_plus»:»»,»button»:»#product #button-cart»,»product_data»:»#content #product»},»list»:»»}

{«symbol_left»:»»,»symbol_right»:» \u200e\u20bd»,»decimal_place»:»0″,»decimal_point»:». «,»thousand_point»:»»}

[«1664″,»1338″,»1329″,»1337″,»1335″,»1331″,»1806″,»142″,»124″,»1651″,»1330″,»1117″,»515″,»644″,»1837″,»634″,»1836″,»1835″,»1834″,»602″,»493″,»1657″,»1678″,»1334»]

false

false

true

Удалить

Изменить

tr

Новый материал ускорит переход с литиевых на натрий-ионные аккумуляторы

4 августа, 2022 16:31

Источник: Сколтех

На фоне более чем пятикратного роста цены на литий за год учёные из Сколтеха и МГУ разработали материал для альтернативных, натрий-ионных аккумуляторов. Он представляет собой порошок фторидофосфата натрия — ванадия с особой кристаллической решёткой. Согласно опубликованным в журнале Nature Communications результатам испытаний, изготовленные из нового материала катоды обеспечивают рекордную на сегодняшний день энергоёмкость натрий-ионного аккумулятора, устраняя одно из препятствий для более широкого внедрения этой безлитиевой технологии.

Поделиться

Литий-ионные аккумуляторы используются во всех портативной электронике, электромобилях и, например, на солнечных или ветряных электростанциях, где они накапливают энергию и сглаживают колебания от смены погоды. Несмотря на преимущества этой технологии, зависимость от лития является экономическим фактором риска, поскольку промышленно значимые соединения этого металла неуклонно дорожают, их производство неэкологично, а месторождения очень неравномерно разбросаны по миру. Альтернатива в каком-то смысле напрашивается сама собой — это расположенный на одну клетку ниже в таблице Менделеева куда более распространённый щелочной металл натрий.

Натрий-ионные аккумуляторы — сравнительно новая технология. Хотя базовая архитектура батареи не меняется, для изготовления её компонентов нужно заново подбирать оптимальные материалы. В том числе для катода, который сильно влияет на характеристики аккумулятора. В своём недавнем исследовании учёные из Сколтеха и МГУ предсказали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который обеспечивает энергоёмкость натрий-ионной батареи на 10–15% выше, чем с ранее доступными материалами.

«На самом деле, и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоёмкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия. Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решётка тоже», — пояснил соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов.

«Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают нашему: по энергоёмкости значимого преимущества нет, но зато есть по стабильности, а это — более долгий срок службы и энергоэффективность, — продолжил Федотов. — Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые нами показатели с новым материалом — это существенно».

По словам учёных, по мере разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов эта технология будет всё лучше конкурировать с литий-ионными аналогами и сможет прежде всего заменить их в таких применениях, как источники питания электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

«Высокой энергоёмкостью преимущества не ограничиваются. Катоды из нашего материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, актуально для России», — добавил Федотов.

Первый автор работы, стажёр-исследователь Семён Шраер из Сколтеха, рассказал о подходе научной группы к поиску материалов для аккумуляторов: «В „батареечном“ сообществе в целом больше принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Наш же подход — рациональный дизайн на основе химии твёрдого тела: мы отталкиваемся от фундаментальных законов и принципов и стараемся прийти к материалу с желаемыми свойствами».

«Теоретические соображения подсказали нам базовую формулу материала, который мог бы обеспечить высокую энергоёмкость, — продолжил Шраер. — Следующий этап — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту ёмкость. Мы выбрали решётку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова. После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что это конкретное соединение с этой конкретной решёткой должно сработать, мы его синтезировали методом низкотемпературного ионного обмена, и его превосходные характеристики получили подтверждение в эксперименте».

Освещённое в пресс-релизе исследование профинансировано грантом РНФ № 20-73-10248.

Теги

Президентская программа, Химия и материалы, Молодежные группы

Что такое литий-ионные аккумуляторы? | Научно-исследовательский институт UL

Научно-исследовательский институт электрохимической безопасности

Назад к обновлениям инициативы

Начало работы с электрохимической безопасностью

14 сентября 2021 г.

---

 

Примечание редактора. сетевое хранение, Исследовательский институт UL помогает заложить основу для безопасных и надежных конструкций хранения энергии. В рамках нашей работы в этой области мы хотим поделиться информацией об основах и текущей ситуации в области электрохимической безопасности.

Что такое литий-ионный аккумулятор?

Ионно-литиевые аккумуляторы — это самые популярные химические аккумуляторы, используемые сегодня. Литий-ионные аккумуляторы питают устройства, которые мы используем каждый день, такие как наши мобильные телефоны и электромобили.

Литий-ионные батареи состоят из одного или нескольких литий-ионных элементов вместе с защитной платой. Они называются батареями, когда элемент или элементы устанавливаются внутри устройства с защитной платой.

Какие компоненты литий-ионного элемента?

• Электроды: Положительно и отрицательно заряженные концы клетки. Крепится к токосъемникам
• Анод: Отрицательный электрод
• Катод: Положительный электрод
• Электролит: Жидкость или гель, проводящий электричество
• Токосъемники: Токопроводящая фольга на каждом электроде батареи, соединенная с клеммами элемента. Клеммы ячейки передают электрический ток между батареей, устройством и источником энергии, который питает батарею 9.0034
• Сепаратор: Пористая полимерная пленка, разделяющая электроды и обеспечивающая обмен ионов лития с одной стороны на другую

Как работает литий-ионный аккумулятор?

В литий-ионном аккумуляторе ионы лития (Li+) перемещаются между катодом и анодом внутри. Электроны движутся во внешней цепи в противоположном направлении. Эта миграция является причиной того, что батарея питает устройство, потому что она создает электрический ток.

Пока батарея разряжается, анод выделяет ионы лития на катод, создавая поток электронов, который помогает питать соответствующее устройство.

При зарядке батареи происходит обратное: ионы лития высвобождаются катодом и принимаются анодом.

Найдите эту и другую информацию в наших одностраничных ресурсах

Обзор     | Deep Dive

Up Next:

Где можно найти литий-ионные батареи?

Узнать больше

Перспективы литий-ионных аккумуляторов и далее — взгляд на 2030 год

Было бы неразумно предполагать, что эра «обычных» литий-ионных аккумуляторов приближается к концу, поэтому мы обсуждаем текущие стратегии по улучшению систем текущего и следующего поколения, где потребуется целостный подход, чтобы разблокировать более высокую плотность энергии, сохраняя при этом срок службы и безопасность. Мы заканчиваем кратким обзором областей, в которых фундаментальные научные достижения потребуются для создания революционно новых аккумуляторных систем.

Литий-ионные аккумуляторы (LIB), впервые коммерчески разработанные для портативной электроники, теперь повсеместно используются в повседневной жизни, во все более разнообразных приложениях, включая электромобили, электроинструменты, медицинские устройства, смарт-часы, дроны, спутники и устройства хранения данных. . По мере увеличения использования батарей растут и специфические требования, с растущим расхождением конструкций и размеров батарей, подходящих для каждого конкретного применения. Насущной задачей, особенно в течение следующего десятилетия, является разработка аккумуляторов, которые внесут значительный вклад в сокращение и, в конечном итоге, устранение выбросов углерода в некоторых странах, включая Великобританию, уже к 2050 году, чтобы смягчить глобальное потепление. Нынешние LIB подходят для регулирования частоты, краткосрочного хранения и приложений микросетей, но расходы и, в конечном итоге, проблемы с минеральными ресурсами по-прежнему препятствуют их широкому распространению в сети. Существует множество альтернатив без явных победителей или предпочтительных путей к конечной цели — разработке батареи для широкого использования в сети.

Современные LIB очень оптимизированы, работают от месяца до года, а некоторые, как ожидается, будут работать десятилетиями. Это значительное достижение, учитывая, что многие материалы работают за пределами своего окна термодинамической стабильности. Аноды (отрицательные электроды) литируются до потенциалов, близких к металлическому литию (~ 0,08  В по сравнению с Li/Li ⁺ ) при зарядке, где нет стабильных электролитов. Вместо этого батарея выживает за счет формирования пассивирующего слоя или межфазного слоя твердого электролита (SEI), предотвращающего дальнейшее разложение электролита. Со стороны катода коррозия алюминиевого токосъемника смягчается разложением солей электролита, что опять же приводит к образованию стабильного пассивирующего слоя. Катодные материалы были оптимизированы для минимизации потерь кислорода при более высоких температурах, чтобы помочь предотвратить «тепловой разгон» и выдерживать механические нагрузки повторяющихся изменений объема, связанных с удалением и введением лития.

В то время как некоторые достижения были случайными, большинство из них было результатом обширных и глобальных исследований, которые привели к высокооптимизированной системе, подходящей для многих целей. Следовательно, наши современные коммерческие системы содержат материалы, работающие с плотностями энергии, работающими все ближе к своим фундаментальным пределам, т. е. дальнейшее удаление лития с катода приводит к необратимым структурным превращениям или потере кислорода, а на аноде не остается вакансий в решетке для вместить больше ионов лития. Сепараторы и токосъемники становятся тоньше, а батареи переходят на более высокое напряжение благодаря поверхностным покрытиям, добавкам к электролиту и оптимизации морфологии.

Было бы неразумно предполагать, что эра «обычных» LIB подходит к концу; многие инженерные и химические подходы все еще доступны для улучшения их характеристик. В то время как многие исследования сосредоточены на улучшении отдельных компонентов, потребуется целостный подход, чтобы добиться более высокой плотности энергии при сохранении срока службы и безопасности.

Ресурсы также имеют решающее значение при значительном увеличении производства. Переход от LiCoO ₂ (LCO) (в портативных автомобилях) к материалам с высоким содержанием никеля в электромобилях (решение проблем добычи Co) означает, что ресурсы никеля также становятся критически важными. Это послужило поводом для переоценки использования катодного материала с более низким напряжением LiFePO 9.0089 4 . Тогда возникает вопрос, куда дальше? Путь от разработки в лабораторном масштабе до выхода на рынок долог, и, поскольку этот комментарий посвящен видению 2030 года, мы выделяем исследования, которые могут повлиять на наш мир в текущем десятилетии, но затем кратко коснемся работы, необходимой для достижения глобального нулевого уровня выбросов углерода ( ZC) цели на ближайшие десятилетия.

Оптимизация текущих коммерческих и связанных с ними химических процессов

Это область, в которой проводятся масштабные глобальные фундаментальные и прикладные исследования. Особое внимание уделяется смягчению деградации, увеличению срока службы (и косвенной стоимости), а также потому, что деградация становится более серьезной по мере увеличения напряжения, и, например, к катоду и аноду добавляется больше Ni и Si соответственно. Также есть надежда, что результаты этих исследований можно будет обобщить и применить к химическому составу батарей следующего поколения. Этим исследованиям способствует впечатляющее развитие новых экспериментальных и теоретических инструментов и методологий, включая оперативные измерения, которые могут изучать батареи, которые ближе к практическому устройству, с улучшенным временным и пространственным разрешением и повышенной чувствительностью. В случае ЯМР-спектроскопии, одна из областей, на которой сосредоточены авторы, методы динамической ядерной поляризации (DNP), включающие перенос намагниченности от неспаренных электронов к ядерным спинам, использовались для усиления сигнала SEI, а в последнее время для усиления сигнала SEI. исследовать границу раздела литий-металл-SEI ¹ . Двигаясь вперед, метод DNP, вероятно, будет играть все более важную роль в изучении скрытых интерфейсов, повсеместно встречающихся в батареях. Теперь мы обсудим некоторые конкретные проблемы более подробно.

Катоды

На рисунке 1 представлены текущие и будущие стратегии по увеличению срока службы элементов в батареях с катодными материалами с высоким содержанием никеля. По мере того, как эти материалы положительного электрода подвергаются все более высоким напряжениям и содержанию никеля, повышенная скорость окисления электролита и рост поверхностного слоя каменной соли (RSL) становятся все более проблематичными для поддержания практического срока службы элемента, образование RSL обычно приводит к повышению импеданса ^2,3 . Было высказано предположение, что образование RSL и сопутствующая потеря кислорода являются основной причиной окисления электролита при высоких напряжениях, а не токах Фарадея, влияющих на материалы от LiNiO ₂ до LCO ^4,5 . Тем не менее остается много фундаментальных вопросов. Какие химические факторы определяют скорость диффузии кислорода и рост RSL? Почему (и когда) наблюдается синглетный кислород и как он образуется? Окисляются ли компоненты электролита на поверхности электрода или в растворе? Более высокое содержание никеля также связано с большими анизотропными изменениями объема во время циклирования, представляющими собой источник внутри- и межкристаллитного растрескивания, и «усталыми» фазами с более низкой практической емкостью.

Рис. 1: Возможные подходы к увеличению срока службы положительных электродов LiMO ₂ .

Материалы сердцевины-оболочки и градиентные материалы используют более стабильные составы (часто с более низким содержанием никеля) вблизи поверхности электрода, чтобы минимизировать реактивность электрод-электролит, и богатую никелем стехиометрию ядра для увеличения плотности энергии. Электролитные добавки представляют собой соединения, добавляемые в раствор электролита в количестве порядка нескольких процентов по весу для увеличения срока службы и безопасности элемента, например, путем взаимодействия с поверхностью электрода с образованием защитного «барьерного» слоя. Поверхностные покрытия (наносимые различными способами) на материал электрода могут улучшить стабильность при циклировании и срок службы за счет поглощения коррозионно-активного HF, физического блокирования попадания компонентов электролита на поверхность электрода, замедления роста RSL за счет блокирования потери кислорода из активного материала и за счет другие химические реакции с компонентами электролита. Термическая обработка материалов с поверхностным покрытием может использоваться для получения материалов с поверхностным легированием, обладающих повышенной химической стабильностью и препятствующих росту поверхностных слоев каменной соли. Одной из тенденций в исследованиях морфологии частиц является увеличение размеров первичных частиц (т. е. переход от поликристаллических к «монокристаллическим» материалам), в то время как будущие перспективы включают синтез точно настроенных форм и размеров частиц. (TEM RSL адаптировано из Lin et al. ¹⁴ ).

Изображение в натуральную величину

Хотя сроки получения ответов неясны, эти и другие основные вопросы почти наверняка будут все больше изучаться и обсуждаться в ближайшие годы. Новое понимание позволит разработать более стратегические методы смягчения путей деградации (рис. 1). Частицы ядро-оболочка могут быть получены с оптимизированными градиентами различных переходных металлов и металлов s/p-блока, а также с толщиной слоя со стабильными поверхностями и ядрами с более высокой плотностью энергии — в соответствии с рядом новаторских исследований ⁶ ; стехиометрия поверхностного покрытия и легирующие элементы могут быть выбраны для снижения скорости потери кислорода и образования RSL; поверхностно-модифицирующие добавки к электролиту могут быть разработаны для ингибирования выделения синглетного кислорода и замедления окисления электролита. Разработка подробных микромеханических моделей поможет оптимизировать морфологию частиц — размер и форму — для различных материалов и областей применения. Однако все эти возможные достижения зависят от способности специалистов связать фундаментальные концепции со сложным многопроцессорным поведением современных ЛИА и, в конечном счете, продемонстрировать, что это ведет к увеличению срока службы. Для этого требуется расширенное фундаментальное понимание, полученное путем тщательных экспериментальных и теоретических исследований.

Аноды

«Очевидная» победа предполагает замену графита либо кремнием, либо оксидом кремния из-за их плотности энергии в пять-десять раз выше. Однако это не так просто: SiO _x вызывает значительную необратимую потерю емкости в первом цикле, связанную с образованием неорганических соединений, таких как Li ₂ O и Li ₄ SiO ₄ ⁷ . Стабильный SEI не образуется на кремнии отчасти из-за большого объемного расширения, которое является прямым следствием его большой емкости. Хотя необратимые потери емкости в первом цикле ниже, в настоящее время трудно достичь достаточно высокой кулоновской эффективности для приложений, требующих> 300–500 циклов. Многие современные коммерческие элементы содержат небольшие количества SiO _x (2–10%) в графитовые аноды, что обеспечивает небольшой прирост емкости. Полимерные и графеновые (углеродные) покрытия (и мезоструктуры/оболочки) в сочетании с различными добавками к электролиту были предложены для увеличения кулоновской эффективности и обеспечения возможности использования более высокого содержания Si. В качестве альтернативы ограничение диапазона, в котором кремний литируется, сводит к минимуму объемное расширение, что приводит к более стабильному SEI. Композиты графит-кремний создают другие проблемы, включая механическое измельчение графита, вызванное расширением/сжатием кремния. Каланирование графита для увеличения его практической объемной плотности энергии приведет к большему механическому измельчению. В то время как Si будет играть роль в будущих технологиях аккумуляторов, остается вопрос, в какой степени долговечность элементов и безопасность возьмут верх над повышенной плотностью энергии. Ответы будут разными в разных секторах, Si, скорее всего, играет большую роль в батареях, где срок службы и безопасность менее важны.

Электролиты и другие компоненты элементов

Чтобы увеличить объемную долю, занимаемую активными электродными материалами, — опять же для снижения стоимости — токосъемники и полимерные сепараторы с годами стали намного тоньше. Более высокие нагрузки также могут быть достигнуты за счет увеличения толщины активного слоя, уменьшения доли связующего и уменьшения пористости. Все это требует повышенного транспорта электролита (ионного) для поддержания скорости, что уже является областью активных исследований для технологий быстрой зарядки аккумуляторов ⁸ . Транспортные свойства и молекулярные структуры новых химических растворов (например, новые системы растворителей, высококонцентрированные соли) становятся все более понятными ^9,10 . Ожидается, что фундаментальные исследования — как эксперименты, так и расчеты — физико-химических свойств новых композиций электролитов будут продолжать вести к новым материалам и пониманию их свойств. Кроме того, необходимо лучше охарактеризовать структуру и устойчивость СЭИ в различных растворах и условиях (температура, напряжение). Такие идеи будут способствовать разработке оптимизированных добавок/покрытий для использования альтернативных электролитов при сохранении срока службы элементов. Интенсивный сравнительный анализ и анализ жизненного цикла этих систем остаются потребностью настоящего и будущего. Наконец, их стоимость и безопасность обращения должны быть доказаны, прежде чем станет возможным широкое или крупномасштабное внедрение, последнее представляет собой важную, но недостаточно представленную область исследований.

Материалы и батареи следующего поколения

Здесь стратегии можно условно разделить на следующие категории:

1. (1)

   Поиск новых электродных материалов ЛИА.

2. (2) Аккумуляторы

   «Индивидуальные» для более широкого спектра применений.

3. (3)

   Отказ от традиционных жидких электролитов, например, ионных жидкостей, электролитов с высоким содержанием солей и твердотельных аккумуляторов (SSB).

4. (4)

   Включение анионных окислительно-восстановительных химических процессов — литий-воздух, литий-сера и другие.

5. (5)

   Выход за пределы Li: Na, Mg, Ca, Al.

6. (6)

   Разделение электрохимии и хранения — проточные окислительно-восстановительные батареи.

Поиск новых материалов для электродов ЛИА представляет собой область со значительными трудностями. Хотя о новых материалах или морфологиях сообщается регулярно, чтобы быть коммерчески значимыми, они должны быть масштабируемыми. Объемная и гравиметрическая плотности энергии должны отражать плотность энергии электрода, а не только самих материалов, т. е. должна быть продемонстрирована производительность электрода, который содержит достаточно активного материала, чтобы обеспечить требуемую плотность энергии для рассматриваемого применения. Относительно рано в рамках проекта «Материалы» была изучена вся база данных неорганических структур (ICSD) и материалы, предложенные с помощью алгоритмов интеллектуального анализа данных (включая простую замену элементов при сохранении фиксированного типа структуры) — на тот момент это было более 10 000 материалов. В то время как было получено значительное представление о том, какие структурные особенности управляют напряжением и т. д., было обнаружено лишь ограниченное количество новых классов аккумуляторных материалов. Например, были идентифицированы углеродофосфаты, представляющие тип минеральной структуры, которые ранее не были синтезированы и протестированы в применениях в батареях ¹¹ . Последующая деятельность по прогнозированию структуры привела к созданию многих (мета)стабильных структур, но остается проблема идентификации структур, которые устойчивы к циклированию, например, к потере кислорода, особенно в верхней части заряда, или, в более общем плане, к структурным реорганизациям. Даже если структура предсказана, в настоящее время нелегко предсказать, могут ли они быть синтезированы и каким образом ¹² .

Область, которая в последнее время привлекла значительное внимание, связана с окислительно-восстановительным потенциалом переходного металла и аниона. В то время как установлено в химии на основе серы, где ионы сульфида, S ^2– , может легко и обратимо окисляться до персульфидов, S ₂ ^2– и до элементарной серы (в литий-серных батареях), существуют четкие различия, когда анион представляет собой оксидный ион. Более высокая окислительно-восстановительная пара O ²⁻ / O ⁻ означает, что окислительно-восстановительный потенциал анионов может происходить одновременно с химическим окислительно-восстановительным потенциалом катионов, обеспечивая более высокие емкости и связанные процессы. Проблемы связаны с часто сопровождающей нестабильностью в отношении потери кислорода и структурными изменениями, которые сопровождают удаление лития. Последнее может привести к гистерезису между зарядом и разрядом и «падению напряжения», наблюдаемому в так называемых материалах с избытком лития. Хотя это и не связано напрямую, многие из этих химических препаратов связаны с плохими показателями. Тем не менее, «материалы с избытком лития» содержат более высокое содержание Mn, чем типичные катодные материалы типа EV, и поэтому они могут быть как более дешевыми, так и более экологически чистыми, что еще больше мотивирует их изучение. В ближайшие 10 лет мы увидим более глубокое понимание того, как эти материалы функционируют и как можно уменьшить потерю кислорода. Возможно, появятся приложения, в которых они смогут оказать влияние?

Мы не коснулись широкого круга электродных материалов, исследованных в настоящее время в течение многих лет, которые включают химические процессы замещения или конверсии, где литирование (или натрий) приводит к частичной или полной перестройке решеток. Здесь проблемы включают скорость, гистерезис напряжения и срок службы. Металлический литий по-прежнему привлекает значительное внимание в качестве анода, но образование литиевых дендритов остается проблемой, что создает значительный стимул для продвижения всех твердотельных аккумуляторов (SSB) с твердотельными электролитами.

Ни один из химических процессов, выходящих за пределы Li, не является простым, за исключением, возможно, Na, где могут быть применены многие знания для LIB. Но даже здесь существуют отчетливые различия из-за большего размера Na, который благоприятствует различным координационным средам и решеткам (например, графит не может вместить Na), и более высокой растворимости солей Na в SEI, что означает, что различные добавки к электролиту являются обязательными.

Стоит задуматься над вопросом, в какой степени новые развивающиеся или более мелкие «нишевые» рынки могут терпеть новые химические составы аккумуляторов, или всегда ли снижение затрат, связанное с масштабом, будет способствовать использованию ограниченного набора химических составов аккумуляторов. Оксид лития-титана (LTO) в настоящее время имеет относительно скромный рынок для приложений, включая быструю зарядку, где безопасность и способность работать в широком диапазоне температур являются проблемой: материал анода работает при 1,55   В по сравнению с Li, где нет ни покрытия Li, ни обычное формирование SEI является проблемой. Разрабатываются альтернативы LTO, которые включают оксид ниобия-титана (NTO) от Toshiba и соединения оксида ниобия-вольфрама в нашей лаборатории с потенциальными применениями в батареях от малых до сетевых. Батареи с другим напряжением могут быть более подходящими для новых приложений микроэлектроники (например, по мере снижения требований к напряжению для компьютерных микросхем), устраняя необходимость в преобразовании постоянного тока в постоянный и более легко сочетающихся с электроникой сбора энергии. В настоящее время для питания некоторых дистанционных датчиков используются небольшие первичные батареи. По прогнозам, они потребуются от миллиардов до триллионов для питания устройств Интернета вещей (IoT), а для их замены потребуется значительная рабочая сила, часто из труднодоступных мест ¹³ . Можно ли производить новые перезаряжаемые батареи по достаточно низкой цене для различных, часто заказных приложений? Медицинские батареи могут позволить себе более высокую цену, что, возможно, позволит разработать батареи из других материалов, но здесь надежность и безопасность будут иметь первостепенное значение.

Авторы считают, что фундаментальная наука будет ключом к преодолению многих и разнообразных фундаментальных препятствий в пространстве «за пределами LIB». начального синтеза, к их стабильности в неравновесных и агрессивных средах — будь то температура или напряжение. Мы должны научиться управлять межфазными структурами — от SEI до интерфейсов между двумя компонентами в твердотельной батарее. Необходимы лучшие структурные модели этих интерфейсов, чтобы улучшить нашу способность вычислять соответствующие процессы с реалистичными вычислительными ресурсами и улучшить наше понимание того, как они функционируют. Идеи самовосстанавливающихся систем возникли в области полимеров и были предложены в качестве потенциальных механизмов безопасного отключения, но в будущем эти концепции должны быть воплощены в катодной и анодной химии. Мы должны продолжать разрабатывать новые методы, чтобы углубить наше понимание множества неравновесных процессов в батареях: с растущими требованиями к технологиям в сочетании с целями ZC, которые диктуют сокращение и более устойчивое использование энергии, потребность в фундаментальных и прикладных исследованиях важнее, чем когда-либо, и впереди еще много фундаментальных научных проблем.

Ссылки

1. Хоуп М. и др. ЯМР литиевых дендритов с усилением ДНФ: селективное наблюдение границы раздела твердое тело-электролит. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.10298438.v2 (2019 г.).

2. Jiang, M., Key, B., Meng, Y.S. & Grey, C.P. Электрохимическое и структурное исследование слоистого материала электродов литий-ионных аккумуляторов с избытком Li[Li1/9Ni1/3Mn5/9] О2. Хим. Матер. 21 , 2733–2745 (2009).

   Артикул КАС Google ученый

3. «>

   Muto, S. et al. Механизмы снижения емкости литий-ионных аккумуляторов на основе LiNiO2 II. Диагностический анализ методами электронной микроскопии и спектроскопии. Дж. Электрохим. соц. 156 , A371–A377 (2009 г.).

   Артикул КАС Google ученый

4. Jung, R., Metzger, M., Maglia, F., Stinner, C. & Gasteiger, H.A. Химическое и электрохимическое окисление электролита на NMC111, NMC622, NMC811, LNMO и проводящем углероде. J. Phys. хим. лат. 8 , 4820–4825 (2017).

   Артикул КАС пабмед Google ученый

5. Ринкель, Б.Л.Д., Холл, Д.С., Темпрано, И. и Грей, С.П. Пути окисления электролита в литий-ионных батареях. Дж. Ам. хим. соц. 142 , 15058–15074 (2020).

   Артикул КАС пабмед Google ученый

6. «>

   Чен З., Ли Д.-Дж., Сун Ю.-К. и Амин, К. Усовершенствованные катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов. МИССИС Бык. 36 , 498–505 (2011).

   Артикул Google ученый

7. Китада, К. и др. Раскрытие механизмов реакции SiO-анодов для литий-ионных аккумуляторов путем объединения in situ 7Li и ex situ твердотельной ЯМР-спектроскопии 7Li/29Si. Дж. Ам. хим. соц. 141 , 7014–7027 (2019).

   Артикул КАС пабмед Google ученый

8. Логан, Э. Р. и др. Электролиты на основе сложных эфиров для быстрой зарядки энергоемких литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. хим. C 124 , 12269–12280 (2020).

   Артикул КАС Google ученый

9. Бородин О., Селф Дж., Перссон К.А., Ван К. и Сюй К. Неизведанные воды: сверхконцентрированные электролиты. Джоуль 4 , 69–100 (2020).

   Артикул КАС Google ученый

10. Логан, Э. Р. и Дан, Дж. Р. Конструкция электролита для быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов. Тренды Хим. 2 , 354–366 (2020).

    Артикул КАС Google ученый

11. Chen, H. et al. Карбонофосфаты: новое семейство катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, идентифицированное компьютерным путем. Хим. Матер. 24 , 2009–2016 (2012).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

12. Кононова О. и др. Текстовый набор данных рецептов синтеза неорганических материалов. науч. Данные 6 , 203 (2019).

    Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый

13. «>

    Myers, J. et al. Подпороговая подсистема ARM cortex-M0+ на 65-нм CMOS для приложений WSN с 14 доменами питания, 10T SRAM и встроенным стабилизатором напряжения. IEEE J. Твердотельные схемы 51 , 31–44 (2016).

    Артикул Google ученый

14. Лин, Ф. и др. Реконструкция поверхности и химическая эволюция стехиометрических слоистых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нац. коммун. 5 , 3529 (2014).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ пабмед Google ученый

Скачать ссылки

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Химический факультет Кембриджского университета, Lensfield Road, Cambridge, CB2 1EW, UK

   Clare P. Grey & David S. Becquer Hall Institution

   9003 , Harwell Campus, Didcot, OX11 0RA, UK

   Clare P. Grey & David S. Hall

Авторы

1. Clare P. Gray

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Дэвид С. Холл

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Взносы

C.P.G. и Д.С.Х. вместе написали рукопись и подготовили рисунок.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Клэр П. Грей.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

C.P.G. является основным акционером CB2tech Limited, компании, разрабатывающей электроды для быстрой зарядки аккумуляторов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.