Какие катодные материалы используются в литий-ионных аккумуляторах сегодня. Какие новые разработки ведутся для улучшения характеристик катодов. Как устроены современные катоды и какие проблемы существуют при их производстве и эксплуатации.
Современные катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов
Литий-ионные аккумуляторы являются ключевым элементом многих современных электронных устройств и электромобилей. Одним из важнейших компонентов таких аккумуляторов является катод. От материала катода во многом зависят основные характеристики аккумулятора — емкость, мощность, срок службы, безопасность.
В настоящее время в промышленных литий-ионных аккумуляторах используются несколько основных типов катодных материалов:
- Оксид лития-кобальта (LiCoO2)
- Оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC)
- Оксид лития-никеля-кобальта-алюминия (NCA)
- Фосфат лития-железа (LFP)
- Оксид лития-марганца (LMO)
Каждый из этих материалов имеет свои преимущества и недостатки. Рассмотрим их основные характеристики подробнее.
Оксид лития-кобальта (LiCoO2)
LiCoO2 был первым коммерчески успешным катодным материалом для литий-ионных аккумуляторов. Он обладает высокой удельной емкостью и хорошей стабильностью при циклировании. Основные характеристики LiCoO2:
- Удельная емкость: 140-150 мАч/г
- Рабочее напряжение: 3.6-3.7 В
- Термическая стабильность: умеренная
- Стоимость: высокая из-за содержания кобальта
Недостатками LiCoO2 являются высокая стоимость из-за содержания кобальта и умеренная термическая стабильность. Тем не менее, этот материал до сих пор широко применяется в портативной электронике.
Оксид лития-никеля-марганца-кобальта (NMC)
NMC катоды являются одними из наиболее перспективных и быстро развивающихся. Они обеспечивают хороший баланс между емкостью, мощностью и стабильностью. Основные характеристики NMC:
- Удельная емкость: 160-220 мАч/г (в зависимости от состава)
- Рабочее напряжение: 3.6-3.7 В
- Термическая стабильность: хорошая
- Стоимость: средняя
NMC катоды активно применяются в электромобилях и стационарных системах хранения энергии. Ведутся работы по дальнейшему увеличению содержания никеля для повышения емкости.
Перспективные разработки в области катодных материалов
Несмотря на достигнутый прогресс, исследователи продолжают активно работать над улучшением характеристик катодных материалов. Основные направления разработок включают:
- Увеличение содержания никеля в NMC катодах для повышения емкости
- Создание безкобальтовых катодов для снижения стоимости
- Разработка катодов с высоким рабочим напряжением (>
- Улучшение структурной стабильности катодов при длительном циклировании
- Создание твердотельных катодов для повышения безопасности
Одной из перспективных разработок является создание монокристаллических катодных частиц без внутренних границ. Такая структура позволяет значительно увеличить стабильность катода при высоких напряжениях.
Проблемы при производстве и эксплуатации современных катодов
При производстве и использовании катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов существует ряд проблем, которые необходимо решать:
- Образование трещин в частицах катодного материала при циклировании
- Деградация структуры катода при высоких напряжениях заряда
- Растворение катионов переходных металлов в электролите
- Образование непроводящих пленок на поверхности катода
- Неоднородное распределение лития в структуре катода
Для решения этих проблем применяются различные подходы, включая поверхностное модифицирование частиц катода, допирование, создание градиентных структур и др.
Методы исследования и анализа катодных материалов
Для изучения структуры и свойств катодных материалов применяется широкий спектр современных аналитических методов:
- Рентгеновская дифракция (XRD)
- Сканирующая электронная микроскопия (SEM)
- Просвечивающая электронная микроскопия (TEM)
- Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS)
- Синхротронные методы исследования
- Электрохимические методы (циклическая вольтамперометрия, гальваностатическое циклирование)
Комплексное применение этих методов позволяет детально изучать структуру, состав и свойства катодных материалов на разных масштабных уровнях — от атомного до макроскопического.
Влияние катодных материалов на характеристики аккумуляторов
Выбор катодного материала во многом определяет ключевые характеристики литий-ионного аккумулятора:
- Удельную энергию и емкость
- Удельную мощность
- Срок службы (количество циклов заряда-разряда)
- Безопасность
- Стоимость
При разработке аккумуляторов для конкретных применений необходимо находить оптимальный баланс между этими характеристиками. Например, для электромобилей критически важны высокая удельная энергия и емкость, в то время как для стационарных накопителей энергии на первый план выходят долговечность и низкая стоимость.
Экологические аспекты производства и утилизации катодных материалов
Производство и утилизация катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов связаны с рядом экологических проблем:
- Добыча и переработка сырья (литий, кобальт, никель) оказывает негативное воздействие на окружающую среду
- Производство катодных материалов требует значительных энергозатрат
- Утилизация отработавших аккумуляторов связана с риском загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами
Для решения этих проблем ведутся работы по следующим направлениям:
- Разработка более экологичных методов добычи и переработки сырья
- Создание безкобальтовых катодных материалов
- Разработка эффективных технологий рециклинга литий-ионных аккумуляторов
- Использование возобновляемых источников энергии в производстве катодных материалов
Внедрение этих подходов позволит сделать производство и утилизацию литий-ионных аккумуляторов более экологически устойчивыми.
Заключение
Разработка новых катодных материалов является ключевым направлением в совершенствовании литий-ионных аккумуляторов. Современные исследования направлены на создание катодов с высокой емкостью, стабильностью и низкой стоимостью. Успехи в этой области позволят значительно улучшить характеристики аккумуляторов для электромобилей, портативной электроники и стационарных систем хранения энергии.
Производители аккумуляторов готовятся к бурному росту
Самый яркий и известный пример взрывного роста в секторе литий-ионных аккумуляторов – «гигафабрика» Tesla в Неваде стоимостью $5 млрд / Tesla Gigafactory
Самый яркий и известный пример взрывного роста в секторе литийионных аккумуляторов – «гигафабрика» Tesla в Неваде стоимостью $5 млрд. По оценкам инвестбанка Berenberg, сектору потребуется на порядок увеличить выпуск аккумуляторов, чтобы их мощности выросли с 68 ГВт ч в 2016 г. до 1165 ГВт ч 10 лет спустя.
Восполнить недостающее предложение стремятся прежде всего азиатские компании. Несмотря на всю шумиху вокруг завода Tesla, американская компания аккумуляторы не производит – за это отвечает ее партнер Panasonic (у японской компании есть и самостоятельные проекты в этой области). Другие лидеры отрасли – LG Chem и Samsung SDI, публичные подразделения южнокорейских конгломератов. Они поставляют аккумуляторы Nissan, GM, BMW и другим производителям электромобилей. Наступают на пятки корейцам две китайские компании, намеренные осуществлять поставки на быстрорастущем рынке электромобилей Китая. Это BYD, которая сама выпускает электромобили (8,25% акций компании принадлежат Berkshire Hathaway Уоррена Баффетта), а также Contemporary Amperex Technology, планирующая привлечь $2 млрд во время IPO в Шэньчжэне в ближайшие месяцы. По оценке Bloomberg New Energy Finance (BNEF), получив деньги на расширение производства, Contemporary Amperex станет крупнейшим производителем литийионных аккумуляторов в мире.
Эти пять азиатских компаний и еще ряд производителей намерены к 2021 г. построить 24 завода общей мощностью выпускаемых аккумуляторов 332 ГВт ч (см. график), указывает Саймон Мурз, управляющий директор Benchmark Mineral Intelligence.
Инвесторы, которые хотят заработать на новой золотой лихорадке, должны ориентироваться на долгосрочную перспективу, пишет The Wall Street Journal (WSJ). Капитальные затраты в секторе велики, тогда как заключаемые контракты предполагают очень маленькую маржу.
Томас Эдисон об аккумуляторах
«Аккумулятор, по моему мнению, – это дешевая сенсация, рассчитанная на привлечение покупателей, механизм обмана публики акционерными компаниями».
Вести переговоры с автопроизводителями тоже будет трудно. За пределами Китая автомобильная отрасль очень консолидирована, и регуляторы оказывают сильное давление на автокомпании, стимулируя продажи электромобилей, даже если пока это невыгодно. Франция и Великобритания запретили продажи машин с двигателем внутреннего сгорания с 2040 г. Поэтому выход для автопроизводителей – добиться снижения цен на аккумуляторы.
Помочь производителям батарей должны новые крупные заводы. «Экономия на масштабах здесь имеет решающее значение», – цитирует Bloomberg аналитика BNEF Колина Маккеррачера. Аккумуляторы уже подешевели втрое с $1000 за 1 кВт ч в 2010 г. По оценке BNEF, электромобили смогут составить конкуренцию машинам с двигателем внутреннего сгорания, когда стоимость аккумулятора снизится до $100 за 1 кВт ч.
Инвесторам стоит обратить внимание и на другой участок цепочки поставок, отмечает WSJ. Самый ценный компонент аккумулятора – катод, поэтому его производители должны быть в определенной степени защищены от сокращения расходов. Японская Sumitomo Metal Mining поставляет Panasonic катоды для аккумуляторов Tesla, остальную часть рынка занимают бельгийская Umicore и еще несколько компаний. Акции Sumitomo и Umicore с начала года выросли на 38,8 и 42,3%.
Растут и акции компаний, поставляющих другие компоненты для аккумуляторов, в частности японского производителя литиевой соли Stella Chemifa и чилийской Sociedad Quimica y Minera de Chile, которая добывает химикаты и металлы, включая литий. Акции японской Tanaka Chemical, которая выпускает и продает компоненты для аккумуляторов, с мая выросли втрое.
Риск для компаний, работающих с литийионными аккумуляторами, заключается в том, что их может вытеснить принципиально новая технология.
В этом году 95-летний профессор Техасского университета Джон Гуденаф, считающийся создателем литийионных батарей, провозгласил прорыв в области твердотельных аккумуляторов. Toyota Motor рассчитывает начать коммерческие продажи машин с твердотельными аккумуляторами в начале 2020-х гг., а британская Dyson намерена через три года выпустить электромобиль с таким аккумулятором. Она объявила об инвестиции 1 млрд фунтов ($1,3 млрд) в разработку машины и аналогичной суммы – аккумулятора.
Новости СМИ2
Отвлекает реклама? С подпиской вы не увидите её на сайтеОсновой калий-ионных аккумуляторов может стать «позолоченный» оксид графена — Газета.Ru
Основой калий-ионных аккумуляторов может стать «позолоченный» оксид графена — Газета.Ru | НовостиCпецпредставитель Лаврентьев: Россия готова возобновить диалог с США по Сирии 18:50
Минобороны РФ: ВКС России запустили ракету-носитель «Союз-2.1б»… 18:49
Премьер Нидерландов Рютте обсудил с Зеленским его мирный план по Украине 18:48
Невролог Жуков назвал БАДы бесполезными 18:47
Украинские СМИ сообщили о взрывах в Купянске в Харьковской области 18:42
Ученые из Китая и Австралии выявили пять новых передающихся людям вирусов.
..
18:40
«Интерфакс» узнал о поддержке правительством законопроекта о реформе доставки… 18:39
Певица Doja Cat с розовыми волосами появилась на обложке журнала Dazed Beauty 18:39
Кейт Хадсон рассказала о сложности съемки поцелуя с Мэттью Макконахи 18:38
Ирландия оштрафовала Meta* на €265 млн за утечку данных 18:35
Наука
Российские ученые из Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН совместно с иностранными коллегами разработали и исследовали новый материал для калий-ионного аккумулятора, который может стать доступной альтернативой другим аккумуляторам. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), а их результаты были опубликованы в журнале Chemical Communications.
Калий-ионные аккумуляторы — аналог широко используемых сейчас литий-ионных аккумуляторов, которые являются основным источником энергии для мобильных устройств на протяжении последних 20 лет.
Литий — малораспространенный химический элемент, и резкое увеличение спроса на литиевое сырье привело к значительному удорожанию этого металла, поэтому сейчас ведется поиск более дешевых источников тока, в которых соединения лития заменены на вещества и материалы, содержащие более распространенные элементы, такие как натрий, калий, магний и другие.
Принцип действия литий-ионных и калий-ионных аккумуляторов схож. В их основе – два электрода, анод и катод, помещенные в одно пространство — корпус аккумулятора. Корпус заполнен пористым сепаратором, который изготавливается из полипропилена и полиэтилена. Сепаратор, в свою очередь, пропитан электролитом — раствором соли. Электрический ток возникает, когда ионы вещества (лития, натрия, калия) движутся из материала анода через электролит в материал катода. Когда все ионы вещества из анода перейдут в катод, аккумулятор полностью разрядится. Во время зарядки при подключении внешнего источника электропитания происходит обратный процесс. Ионные аккумуляторы различаются только электродными материалами и электрохимическими реакциями, которые протекают в ходе циклов заряда-разряда.
«Эта работа посвящена исследованию полученного нами материала на основе восстановленного оксида графена и диоксида олова в качестве анода в калий-ионном аккумуляторе. Недавно в нашей лаборатории был разработан метод, который позволяет наносить на поверхность листочков восстановленного оксида графена покрытие из наноразмерных кристаллов дисульфида олова. Дисульфид олова SnS2 — это то самое вещество, которое используется в качестве основы для краски, имитирующей позолоту. Получается, что мы покрасили золотой краской листочки графена, толщина которых один-два нанометра, а длина и ширина — около одного микрона», — рассказал один из авторов статьи Петр Приходченко, руководитель проекта РНФ, доктор химических наук, заведующий лабораторией пероксидных соединений и материалов на их основе Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН.
Авторы показали, что такой материал хорошо работает в качестве электрода в литий- и натрий-ионных аккумуляторах. Он обратимо взаимодействует с калием и может быть использован в качестве анода в калий-ионном аккумуляторе.
Ученые отмечают, что им было важно показать, что разработанный ими метод позволяет получать уникальные материалы, которые могут использоваться для решения самых разных задач, например, для создания новых устройств накопления энергии.
Петр Приходченко добавил, что калий-ионный аккумулятор вряд ли имеет реальные перспективы для массового применения в ближайшие годы. Это связано со многими проблемами, например, с тем, что размер ионов калия значительно больше ионов лития. Большому катиону труднее встроиться в структуру электродного материала, это приводит к значительному увеличению объема, что сказывается на стабильности электрода. Кроме того, калий значительно тяжелее натрия и лития, поэтому удельная электрохимическая емкость калий-ионного аккумулятора должна быть ниже в аналогичных условиях.
Ученые предсказывают, что на основе соединений калия можно реализовать более высоковольтовые, то есть более мощные, аккумуляторы по сравнению с натриевыми аналогами. Некоторые исследователи указывают также на то, что ионная проводимость в калийсодержащих электролитах выше, чем в натрийсодержащих.
На данный момент ученые получили слишком мало экспериментальных данных, чтобы можно было однозначно судить о практической значимости данного направления. Для развития этой области химии важно понимать, какие процессы протекают в калий-ионных аккумуляторах, в чем их отличия от литиевых или натриевых аналогов, а в чем имеются общие подходы для оптимизации работы устройств.
«Грант РНФ играет решающую роль в наших исследованиях. Для нас это в первую очередь возможность получить современное лабораторное оборудование для синтеза и исследования наноматериалов. Кроме того, это возможность участвовать в международных конференциях, проводить исследования в других организациях, в том числе в ведущих зарубежных университетах на оборудовании, которого нет у нас в институте, а зачастую и вообще в России», — заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дикина, Австралия, и Еврейского университета в Иерусалиме, Израиль.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Картина дня
Военная операция РФ на Украине. День 278-й
Онлайн-трансляция военной спецоперации на Украине — 278-й день
Употребила наркотики и села за руль. Новые подробности смертельного ДТП в Москве
Прокуратура Москвы: женщина, сбившая насмерть мать с ребенком, была под воздействием наркотиков
«Санкции против кровавого режима смехотворны». За что арестовали племянницу иранского аятоллы
Племянницу иранского аятоллы Хаменеи арестовали за антиправительственные призывы
Центр города Ровно на западе Украины остался без электричества
Власти ФРГ намерены потратить €20 млрд на покрытие дефицита боеприпасов
Качиньский заявил, что Германия не будет сбивать летящие в Польшу российские ракеты
Школьников из новых регионов могут освободить от ЕГЭ
Новости и материалы
Cпецпредставитель Лаврентьев: Россия готова возобновить диалог с США по Сирии
Минобороны РФ: ВКС России запустили ракету-носитель «Союз-2.
1б» с космодрома Плесецк
Премьер Нидерландов Рютте обсудил с Зеленским его мирный план по Украине
Невролог Жуков назвал БАДы бесполезными
Украинские СМИ сообщили о взрывах в Купянске в Харьковской области
Ученые из Китая и Австралии выявили пять новых передающихся людям вирусов у летучих мышей
«Интерфакс» узнал о поддержке правительством законопроекта о реформе доставки страховых пенсий
Певица Doja Cat с розовыми волосами появилась на обложке журнала Dazed Beauty
Кейт Хадсон рассказала о сложности съемки поцелуя с Мэттью Макконахи
Ирландия оштрафовала Meta* на €265 млн за утечку данных
Производители хмеля ФРГ: каждой 20-й пивоварне Германии грозит закрытие в 2022 году
Болельщик сборной Сербии объяснил, почему принес на матч ЧМ-2022 в Катаре флаг России
Александр Ширвиндт предположил, что пародия на «Иронию судьбы» с Киркоровым может быть «интересной»
Харламов назвал «чушью» то, что он «шантажировал» руководство Comedy Club из-за зарплаты
Гвинет Пэлтроу опубликовала редкое совместное фото с 18-летней дочерью
У кошек в крови обнаружили универсальные антитела к коронавирусам
Фигуристка Щербакова ответила на вопрос о завершении карьеры
Bloomberg: российская нефть подешевела ниже предложенного Евросоюзом потолка
Все новости
Нет ядерной войне и фальсификации истории.
Путин и Токаев подписали декларацию
Путин и Токаев подписали декларацию по случаю 30-летия дипломатических отношений
«Ливан теперь самостоятельным государством не является»
Как США и Сирия лишили Бейрут независимости
Режиссер Иван Соснин — о «Далеких близких», последней роли Евгения Сытого и силе доброго кино
Режиссер «Далеких близких» Иван Соснин рассказал о последней роли Евгения Сытого
Совет ЕС признал обход антироссийских санкций преступлением
Совет ЕС единогласно назвал обход санкций преступлением против Евросоюза
Песков опроверг слухи о выводе войск из Энергодара и с Запорожской АЭС
Песков заявил, что не видел призыв матерей мобилизованных вывести войска с Украины
Весенние поставки.
Boeing хочет передать Киеву бомбы, которые смогут ударить по России
Reuters: компания Boeing предложила поставить Киеву боеприпасы для ударов по России
Назад в прошлое: звезды «встретились» с собой молодыми
В анализах Саакашвили нашли ртуть, висмут и мышьяк. Эксперты говорят об отравлении
Адвокат Саакашвили заявил, что в организме бывшего президента Грузии обнаружили мышьяк
«Какие ракеты? Какие танки? Какая Третья мировая? Мы-то тут причем?»
Глава МИД Украины Кулеба: партнеры Киева работают с третьими странами для покупки оружия
Основатель Forex Club Вячеслав Таран погиб при авиакатастрофе в Монако
Он летел домой из Швейцарии
«Бои за Артемовск стали «кровавым вихрем»: NYT сообщила о тяжелых потерях ВСУ
NYT сообщила, что при боях за Артемовск было ранено более 240 украинских военнослужащих
Ядерные риски без Украины: что обсуждали главы разведок РФ и США в Анкаре
Поверенная в делах США в Москве: Бернс и Нарышкин в Анкаре не обсуждали вопрос мира на Украине
«Окажется в темноте».
В Австрии спрогнозировали тотальный блэкаут на Украине
В МО Австрии заявили, что Украина может остаться без электричества через несколько недель
Георгий Бовт
Почти как в кино
О том, что методы и нравы дипломатии времен Тегеранской конференции уже не вернуть
Яков Пеер
Гамбургер по-русски
О новом российском фастфуде
Владимир Трегубов
Кто вы, мистер Маск?
О бизнес-пути создателя Tesla
Мария Дегтерева
Абракадабра
О новой деловой лексике в русском языке
Дмитрий Самойлов
Священный мундиаль
О важности чемпионата мира по футболу в Катаре
—>
Читайте также
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Катодные материалы для производителей литий-ионных аккумуляторов
В области литий-ионных аккумуляторов можно выбрать один из нескольких катодных материалов. Первоначально основным активным компонентом катода был кобальт. Сегодня кобальт часто частично заменяют никелем (NMC, NCA). Катодные материалы требуют чрезвычайно высокого уровня чистоты и должны быть почти полностью свободны от нежелательных металлических примесей, особенно железа, ванадия и серы.
Targray предлагает полный ассортимент высокоэффективных катодных материалов большой емкости, которые использовались Аргоннской национальной лабораторией для достижения беспрецедентных характеристик аккумуляторов. К ним относятся никель-кобальт-алюминий (NCA), градиент оболочки ядра (CSG), литий-ион на основе шпинели (LMO), литий-ион на основе кобальта (LCO) и никель-кобальт-марганец (NCM или NMC).
- Катодные материалы
- Катодные химические вещества
- Таблица плотности энергии
Катодные связующие
Ассортимент связующих материалов включает сополимер стирола и бутадиена (SBR) и поливинилиденфторид (PVDF), используемые в процессе производства суспензии катодных и анодных электродов для литий-ионных аккумуляторов. Связующие, такие как SBR и PVDF, удерживают частицы активного материала вместе и в контакте с токосъемниками, т. е. алюминиевой фольгой (алюминиевая фольга) или медной фольгой (медная фольга).
Алюминиевая фольга
Рулонная фольга (типа RA), изготовленная из кованой меди, обычно используется для высокоэнергетических применений. Алюминиевая фольга используется в качестве катодного токосъемника вторичных литий-ионных аккумуляторов. В настоящее время анод состоит из смеси графита, а катод состоит из лития и других выбранных металлов, и все материалы в батарее имеют теоретическую плотность энергии.
Литий-ионный анод хорошо оптимизирован, и изменения конструкции практически не приведут к значительному улучшению производительности. С другой стороны, материал катода широко открыт для усовершенствований, и это объясняет, почему современные исследования аккумуляторов так сильно сосредоточены на этой области.
Катодные активные материалы
Катодные активные материалы являются основными элементами, определяющими различия в составе при создании положительных электродов для аккумуляторных элементов. Катодные материалы состоят из кобальта, никеля и марганца в кристаллической структуре, образуя мультиметаллический оксидный материал, к которому добавлен литий. Это семейство аккумуляторов включает в себя множество продуктов, которые удовлетворяют различные потребности пользователей в отношении высокой плотности энергии и/или высокой грузоподъемности.
Катодные материалы состоят из кобальта, никеля и марганца в кристаллической структуре, образуя мультиметаллический оксидный материал, к которому добавлен литий.
Это семейство аккумуляторов включает в себя множество продуктов, которые удовлетворяют различные потребности пользователей в отношении высокой плотности энергии и/или высокой грузоподъемности. В приведенной ниже таблице наиболее часто используемые на рынке химические составы катодов литий-ионных аккумуляторов разбиты на четыре группы: кобальт, марганец, NMC и фосфат.
| Химия | Номинальное В | Предел заряда V | C-скорость заряда и разряда | Плотность энергии Втч/кг | Приложения |
|---|---|---|---|---|---|
| Кобальт | 3,60 В | 4,20 В | 1С лимит | 110-190 | Мобильный телефон, камеры, ноутбуки |
| Марганец (шпинель) | 3,7–3,80 В | 4,20 В | 10C прод. 40C импульс | 110-120 | Электроинструменты, медицинское оборудование |
| NCM (никель-кобальт-марганцевый) | 3,70 В | 4,10 В* | ~ 5C прод. 30C импульс | 95-130 | Электроинструменты, медицинское оборудование |
| Фосфат | 3,2–3,30 В | 3,60 В* | 35C прод. | 95-140 | Электроинструменты, медицинское оборудование |
* Более высокое напряжение обеспечивает большую емкость, но сокращает срок службы
На приведенном ниже графике сравнивается плотность энергии (Втч/кг) трех литий-ионных химических элементов с традиционными свинцово-кислотными, никель-кадмиевыми и никель-металлогидридными. Постепенное улучшение марганца и фосфата по сравнению со старыми технологиями совершенно очевидно. Оксид лития-кобальта обеспечивает самую высокую плотность энергии, но его термическая стабильность и способность выдавать высокие токи нагрузки немного недостаточны.
Тесно сотрудничая с нашими партнерами по поставкам и организациями, включая Электрохимическое общество и NAATBatt International, мы помогаем производителям аккумуляторов и исследователям во всем мире коммерциализировать амбициозные новые технологии для рынка хранения энергии.
Сопутствующие материалы для аккумуляторов
Катодный порошок NMC
Наш материал для аккумуляторов NMC разработан с учетом требований качества, надежности, эффективности и безопасности.
Катодный порошок LFP
Наши катодные порошки LFP разработаны для увеличения срока службы, скорости и низкотемпературных характеристик.
Катодный порошок LNMO
Наш экономичный, не содержащий кобальта и с низким содержанием никеля катодный материал LNMO обеспечивает исключительную плотность энергии.
Упаковка аккумуляторов
Большой выбор материалов для упаковки аккумуляторов. Продукция включает в себя язычки для батареек, ламинированную алюминиевую пленку и призматические банки, футляры и крышки.
Электролитные растворы
Высокоэффективные электролитные растворы для аккумуляторов. Изготовлено из соли LiPF6 и антипирена с высоким содержанием фосфора, DMMP.
Медная фольга
Ассортимент медных токосъемников из анодной фольги, включая медную фольгу, изготовленную методом электроосаждения (ED), прокатанную отжиговую (RA) и плакированную медью.
Материал ячейки
Композитный алюминиевый ламинат для больших литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях и системах хранения энергии.
Новая конструкция катода устраняет главный барьер на пути к более совершенным литий-ионным батареям
Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) имеют долгую историю прорывных открытий в области литий-ионных батарей. Многие из этих открытий были сосредоточены на катоде батареи, известном как NMC, оксид никеля, марганца и кобальта. Батареи с этим катодом теперь питают Chevy Bolt.
Исследователи из Аргонны совершили очередной прорыв с катодом NMC. Новая структура микрочастиц катода, разработанная командой, может привести к созданию более долговечных и безопасных батарей, способных работать при очень высоком напряжении и питать транспортные средства на больших расстояниях.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители аккумуляторов могут использовать для подготовки катодного материала, не имеющего границ и работающего при высоком напряжении».
— Халил Амин, заслуженный научный сотрудник Аргонны
— Халил Амин, заслуженный научный сотрудник Аргонны«Современный катод NMC представляет собой серьезное препятствие для работы при высоком напряжении», — сказал Гуйлян Сюй, помощник химика. При циклическом заряде-разряде производительность быстро снижается из-за образования трещин в катодных частицах. В течение нескольких десятилетий исследователи батарей искали способы устранения этих трещин.
В одном из предыдущих подходов использовались сферические микрочастицы, состоящие из множества гораздо более мелких частиц. Крупные сферические частицы являются поликристаллическими, с по-разному ориентированными кристаллическими областями. В результате у них есть то, что ученые называют границами зерен между частицами, которые вызывают растрескивание при циклировании батареи. Чтобы предотвратить это, Сюй и его коллеги из Аргонна ранее разработали защитное полимерное покрытие вокруг каждой частицы. Это покрытие окружает крупные сферические частицы и более мелкие внутри них.
Другой подход, позволяющий избежать этого растрескивания, включает использование монокристаллических частиц. Электронная микроскопия этих частиц показала, что они не имеют границ.
Проблема, с которой столкнулась команда, заключалась в том, что катоды, изготовленные как из поликристаллов с покрытием, так и из монокристаллов, по-прежнему образовывали трещины при циклировании. Таким образом, они подвергли эти катодные материалы всестороннему анализу в Усовершенствованном источнике фотонов (APS) и Центре наноразмерных материалов (CNM), пользовательских объектах Управления науки Министерства энергетики США в Аргонне.
Границы внутри катодных материалов нежелательны, поскольку они приводят к ухудшению характеристик. (Изображение Марии Чан/Аргоннская национальная лаборатория). ). Оказалось, что то, что ученые считали монокристаллами, как показала электронная и рентгеновская микроскопия, на самом деле имело границы внутри. Сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия в CNM подтвердили это открытие.
«Когда мы смотрим на морфологию поверхности этих частиц, они выглядят как монокристаллы», — сказал физик Вэньцзюнь Лю. «Но когда мы используем метод, называемый синхротронной рентгеновской дифракционной микроскопией, и другие методы в APS, мы обнаруживаем, что границы скрываются внутри».
Важно отметить, что группа разработала метод производства монокристаллов без границ. Испытания малых элементов с такими монокристаллическими катодами при очень высоком напряжении показали увеличение запаса энергии на единицу объема на 25%, практически без потери производительности за 100 циклов испытаний. Напротив, за тот же срок службы емкость снизилась на 60–88 % в катодах из НМК, состоящих из монокристаллов с множеством внутренних границ или из поликристаллов с покрытием.
Расчеты в атомном масштабе выявили механизм снижения емкости катода. По словам наноученого Марии Чан из CNM, по сравнению с областями, удаленными от них, границы более уязвимы к потере атомов кислорода при зарядке батареи.
Эта потеря кислорода приводит к деградации с клеточным циклом.
«Наши расчеты показали, как границы приводят к выделению кислорода при высоком напряжении и, следовательно, к снижению производительности», — сказал Чан.
Устранение границ предотвращает выделение кислорода и, таким образом, повышает безопасность и стабильность катода при циклировании. Измерения выделения кислорода в APS и усовершенствованном источнике света в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики подтвердили этот вывод.
«Теперь у нас есть рекомендации, которые производители аккумуляторов могут использовать для подготовки катодного материала, который не имеет границ и работает при высоком напряжении», — сказал Халил Амин, почетный научный сотрудник Аргонны. «И рекомендации должны применяться к другим катодным материалам, помимо NMC».
Статья об этом исследовании появилась в журнале Nature Energy. Помимо Сюй, Амине, Лю и Чан, в число аргоннских авторов входят Сян Лю, Венката Сурья Чайтанья Коллуру, Чен Чжао, Синьвэй Чжоу, Юзи Лю, Лян Инь, Амин Даали, Ян Рен, Вэньцянь Сюй, Цзюньцзин Дэн, Инхой Хван, Чэнджун.
Сунь, Тао Чжоу, Мин Ду и Цзунхай Чен. В этот проект также внесли свой вклад ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Ванли Ян, Цинтянь Ли и Цзэнцин Чжо), Сямэньского университета (Цзин-Цзин Фань, Лин Хуан и Ши-Ган Сунь) и Университета Цинхуа (Дуншэн Жэнь, Сюнин Фэн и Мингао). Оуян).
Исследование проводилось при поддержке Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США.
Об Аргоннском центре наноразмерных материалов
Центр наноразмерных материалов является одним из пяти научно-исследовательских центров Министерства энергетики США по наноразмерам, ведущих национальных пользовательских учреждений для междисциплинарных исследований в наномасштабе при поддержке Управления науки Министерства энергетики США. Вместе NSRC составляют набор дополнительных объектов, которые предоставляют исследователям самые современные возможности для изготовления, обработки, определения характеристик и моделирования наноразмерных материалов и представляют собой крупнейшие инвестиции в инфраструктуру Национальной инициативы по нанотехнологиям.
Центры NSRC расположены в национальных лабораториях Министерства энергетики США в Аргонне, Брукхейвене, Лоуренсе Беркли, Ок-Ридже, Сандии и Лос-Аламосе. Для получения дополнительной информации о NSRC DOE, пожалуйста, посетите https://science.osti.gov/User-Facilit ies/User-Facilities-at-a- Гланс.
Об усовершенствованном источнике фотонов
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных в мире источников рентгеновского излучения. APS обеспечивает рентгеновские лучи высокой яркости для разнообразного сообщества исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированных сред, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования материалов и биологических структур; элементарное распределение; химические, магнитные, электронные состояния; и широкий спектр технологически важных инженерных систем от аккумуляторов до распылителей топливных форсунок, которые являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны.
Каждый год более 5000 исследователей используют APS для выпуска более 2000 публикаций с подробным описанием важных открытий и решают больше жизненно важных структур биологических белков, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского излучения. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, лежащие в основе совершенствования операций с ускорителями и источниками света. Это включает в себя устройства для ввода, которые производят рентгеновские лучи чрезвычайной яркости, которые ценятся исследователями, линзы, которые фокусируют рентгеновские лучи до нескольких нанометров, инструменты, которые максимизируют способ взаимодействия рентгеновских лучей с изучаемыми образцами, и программное обеспечение, которое собирает и управляет огромным количеством данных, полученных в результате исследований в APS.
В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, управляемого для Управления науки Министерства энергетики Аргоннской национальной лабораторией по контракту № DE-AC02-06Ch21357.
