리튬이온 배터리 음극재 분류

리튬이온 배터리 음극재 분류

핵심 중 하나로 리튬이온 배터리용 소재, 음극 소재는 다음 요건을 충족해야 합니다. 여러 조건.

• Li 삽입 및 탈삽입 반응은 산화환원 전위가 낮습니다. 리튬이온전지의 고출력전압을 만족시키기 위한 것입니다.
• Li 삽입 및 탈리 과정에서, 전극 전위는 거의 변하지 않으므로 배터리에 유리합니다. 안정적인 동작전압을 얻으세요.
• 높은 에너지 밀도를 충족하는 큰 가역 용량 리튬이온 배터리.
• Li 탈리 과정에서 구조적 안정성이 우수하므로 배터리의 수명이 길다는 것입니다.
• 환경친화적이며 환경오염이 없으며, 제조 및 배터리 폐기시 중독.
• 준비 과정이 간단하고 비용이 저렴하며 자원이 저렴합니다. 풍부하고 구하기 쉽다.

기술력으로 발전과 산업 고도화에 따라 양극재의 종류도 다양해지고 있습니다. 증가하고 있으며, 새로운 소재가 지속적으로 발견되고 있습니다.

양극의 종류 물질은 탄소와 비탄소로 나눌 수 있다. 탄소에는 자연산이 포함됩니다. 흑연, 인조흑연, 메조페이즈 탄소 마이크로스피어, 하드 카본, 소프트 탄소 등. 비탄소 범주에는 실리콘 기반 재료, 티타늄계 소재, 주석계 소재, 리튬금속 등

1. 자연스러운 흑연

천연 흑연 주로 편상흑연과 미결정흑연으로 나누어진다. 플레이크 흑연은 더 높은 가역 비용량과 첫 번째 사이클 쿨롱을 나타냅니다. 효율성은 있지만 사이클 안정성이 약간 떨어집니다. 미결정 흑연 사이클 안정성과 속도 성능이 우수하지만 쿨롱 효율은 다음과 같습니다. 첫 주에는 낮습니다. 두 흑연 모두 리튬 석출 문제에 직면해 있습니다. 고속 충전 중입니다.

플레이크용 흑연, 코팅, 합성 및 기타 방법은 주로 개선에 사용됩니다. 인 플레이크 흑연의 사이클 안정성 및 가역 용량. 낮은 온도는 Li+가 인 편상 흑연에서 천천히 확산되도록 하여 인 플레이크 흑연의 낮은 가역 용량. 모공 생성이 좋아질 수 있습니다 저온 리튬 저장 성능.

가난한 사람들 미결정 흑연의 결정화도는 그보다 용량이 낮습니다. 플레이크 흑연. 컴파운딩 및 코팅은 일반적으로 사용되는 변형입니다. 행동 양식. Li Xinlu 등은 미결정 흑연 표면을 코팅했습니다. 페놀수지 열분해 탄소를 사용하여 쿨롱을 증가시킵니다. 미결정 흑연의 효율은 86.2%에서 89.9%로 향상되었습니다. 현재 0.1C의 밀도, 방전 비용량은 30 이후에도 감소하지 않습니다. 충전-방전 주기. 선 Y.L. 외. 층 사이에 FeCl3가 내장되어 있음 재료의 가역 용량을 증가시키는 미결정 흑연 ~800mAh g-1. 미결정 흑연의 용량 및 속도 성능 인 편상 흑연보다 나쁘고 연구도 적다 인 플레이크 흑연과 비교.

2. 인공의 흑연

인공의 흑연은 석유코크스, 침상코크스 등의 원료로 만들어지며, 분쇄, 과립화, 분류 및 고온을 통한 피치 코크스 흑연화 처리. 인조흑연은 사이클에 장점이 있습니다. 성능, 속도 성능 및 전해질과의 호환성이 있지만 용량은 일반적으로 천연 흑연보다 낮으므로 주요 요인은 그 값이 용량인지 결정합니다.

수정 인조흑연은 천연흑연과 제조방식이 다릅니다. 일반적으로 흑연 결정립 방위(OI 값)를 줄이는 목적은 입자 구조의 재구성을 통해 달성됩니다. 일반적으로 직경 8~10 μm의 침상 코크스 전구체를 선택하고 쉽게 피치와 같은 흑연화 물질이 탄소원으로 사용됩니다. 바인더이며 드럼로에서 처리됩니다. 여러 바늘 코크스 입자는 결합하여 14에서 14 사이의 입자 크기 D50을 갖는 2차 입자를 형성합니다. 18 μm, 흑연화가 완료되어 OI 값이 효과적으로 감소합니다. 재료의.

3. 중간상 탄소 미소구

아스팔트의 경우 화합물을 열처리하면 열 중축합 반응이 일어나 작은 이방성 중간상 구체를 생성합니다. 마이크론 크기의 구형 탄소 아스팔트 매트릭스에서 중간상 비드를 분리하여 형성된 물질은 중간상 탄소 미소구체라고 불린다. 직경은 일반적으로 1에서 100 사이입니다. μm. 상업용 메조상 탄소 미소구체의 직경은 일반적으로 다음과 같습니다. 5 및 40μm. 볼 표면이 매끄러우며 다짐밀도가 높습니다.

의 장점 중간상 탄소 미소구체:

(1) 구형 고밀도 적층 전극 형성에 도움이 되는 입자 코팅에는 도움이 되는 작은 비표면적이 있습니다. 부반응을 줄인다.

(2) 탄소 볼 내부의 원자층이 방사형으로 배열되어 있어 Li+가 삽입되기 쉽습니다. 및 디인터칼레이션, 대전류 충방전 성능은 좋아요.

그러나 반복된 중탄소 가장자리에서 Li+의 삽입 및 탈삽입 미세구는 탄소층이 쉽게 벗겨지고 변형될 수 있습니다. 용량 감소를 유발합니다. 표면 코팅 공정은 효과적으로 억제할 수 있습니다. 벗겨지는 현상. 현재 메조페이즈 탄소에 관한 대부분의 연구는 마이크로스피어는 표면개질, 다른 물질과의 복합, 표면 코팅 등

4. 소프트 카본 및 하드카본

소프트카본은 쉽게 흑연화될 수 있는 탄소, 이는 흑연화될 수 있는 비정질 탄소를 의미합니다. 2500°C 이상의 고온에서 흑연화됨. 소프트 카본은 낮은 결정성, 작은 입자 크기, 넓은 면간 간격, 우수한 상용성 전해질이 있고 속도 성능이 좋습니다. 소프트 카본은 높은 첫 번째 충전 및 방전 중 비가역 용량, 낮은 출력 전압 및 명백한 충전 및 방전 플랫폼이 없습니다. 그러므로 그것은 일반적으로 음극 재료로 독립적으로 사용되지는 않지만 일반적으로 음극재료의 코팅이나 구성요소로 사용됩니다.

하드카본은 흑연화가 어렵고 일반적으로 열에 의해 생성되는 탄소 폴리머 재료의 균열. 일반적인 하드 카본에는 레진 카본, 유기 고분자 열분해 탄소, 카본 블랙, 바이오 매스 탄소 등이 유형 탄소 소재는 다공성 구조를 가지고 있으며 현재는 주로 Li+의 가역적 흡탈착을 통해 리튬을 저장합니다. 미세 기공 및 표면 흡착/탈착.

리버시블 하드 카본의 비용량은 300~500mAhg-1에 도달할 수 있지만 평균 산화 환원은 전압은 ~1Vvs.Li+/Li만큼 높으며 명확한 전압 플랫폼은 없습니다. 그러나 하드카본은 초기 비가역 용량이 크고 지연전압이 크다. 플랫폼, 낮은 다짐 밀도, 쉬운 가스 생성 등도 장점입니다. 무시할 수 없는 단점. 최근 몇 년간의 연구는 주로 다양한 탄소원 선택, 제어 프로세스, 고용량 재료와의 컴파운딩 및 코팅.

5. 실리콘 기반 재료

흑연이지만 양극재는 높은 전도성과 안정성이라는 장점을 갖고 있으며, 에너지 밀도의 발달은 이론적 비용량에 가깝습니다. (372mAh/g). 실리콘은 가장 유망한 음극 소재 중 하나로 여겨지며, 이론적인 그램 용량은 최대 4200mAh/g으로 10배 이상입니다. 흑연 재료보다 몇 배 더 큽니다. 동시에 리튬 삽입 Si의 전위는 탄소재료의 전위보다 높기 때문에 리튬의 위험이 높습니다. 충전 중 강수량이 적고 안전합니다. 그러나 실리콘 양극은 인터칼레이션 과정에서 재료는 거의 300%의 부피 팽창을 겪게 됩니다. 및 리튬의 탈삽입으로 인해 리튬의 산업적 적용이 크게 제한됩니다. 실리콘 양극.

실리콘 기반 양극 재료는 주로 실리콘-탄소 양극의 두 가지 범주로 나뉩니다. 재료 및 실리콘-산소 양극 재료. 현재 주류 방향 흑연을 매트릭스로 사용하고 5% ~ 10%의 질량 분율을 포함하는 것입니다. 나노실리콘이나 SiOx를 이용해 복합재료를 만들고, 여기에 탄소를 코팅해 입자 부피 변화를 억제하고 사이클 안정성을 향상시킵니다.

개선 음극재의 비용량은 매우 중요합니다. 에너지 밀도 증가. 현재 주류 응용 프로그램은 다음과 같습니다. 이론적인 비용량을 초과하는 흑연 기반 재료 용량 상한(372mAh/g). 같은 계열의 실리콘 소재는 10이 넘는 가장 높은 이론적 비용량(최대 4200mAh/g) 흑연의 몇 배. 리튬 배터리 음극 소재 중 하나입니다. 응용 가능성이 매우 높습니다.

현재, 산업화 가능한 실리콘 기반 음극재 기술은 크게 나누어진다. 두 가지 범주로 나뉜다. 하나는 실리카(Silica)로 크게 3가지로 나누어진다. 세대 : 1세대 실리카(산화규소), 2세대 프리마그네슘 실리카, 3세대 프리리튬 실리카. 두 번째는 주로 두 세대로 나누어지는 실리콘 탄소: 첫 번째 세대는 흑연과 혼합된 모래 분쇄 나노 실리콘입니다. 2세대: CVD 다공성 탄소에 나노실리카를 증착시키는 방법.

6. 리튬 티타네이트

티탄산리튬 (LTO)는 금속 리튬과 저전위로 구성된 복합 산화물입니다. 전이금속 티타늄. 스피넬형 고용체에 속합니다. AB2X4 시리즈. 티탄산리튬의 이론적인 그램 용량은 175mAh/g이며, 실제 그램 용량은 160mAh/g보다 큽니다. 그것은 중 하나입니다 현재 산업화되고 있는 음극재. 티탄산리튬이 보고된 이후 1996년에 학계는 그 연구에 열광했다. 그만큼 산업화에 대한 최초의 보고는 4.2Ah 리튬으로 거슬러 올라갑니다. Toshiba가 2008년에 출시한 티타네이트 양극 전원 배터리, 공칭 2.4V의 전압과 67.2Whkg-1(131.6WhL-1)의 에너지 밀도.

이점:

(1) 제로 변형률, 티탄산리튬 단위 셀 매개변수 a=0.836nm, 인터칼레이션 및 충방전시 리튬이온의 탈리가 거의 없다. 결정 구조에 영향을 주어 재료로 인한 구조적 변화를 피합니다. 충전 및 방전 중 팽창 및 수축. 그 결과, 매우 높은 전기화학적 안정성과 사이클 수명.

(2) 없다 리튬 침전 위험. 티탄산리튬의 리튬 전위는 다음과 같습니다. 1.55V까지 높습니다. 첫 번째 충전 중에는 SEI 필름이 형성되지 않습니다. 그것은 높은 최초의 효율성, 우수한 열 안정성, 낮은 인터페이스 임피던스 및 우수한 저온 충전 성능. -40°C에서 충전할 수 있습니다.

(3) 가 3차원 고속 이온 전도체. 티탄산리튬은 입체적인 스피넬 구조. 리튬을 삽입할 수 있는 공간이 기존보다 훨씬 넓습니다. 흑연 층 사이의 간격. 이온 전도도는 다음과 같습니다. 흑연재료보다 크기가 크다. 특히 적합합니다. 고속 충전 및 방전. 그러나 그 구체적인 용량과 구체적인 에너지 밀도가 낮고 충전 및 방전 과정에서 전해질이 분해되어 부풀어오르게 됩니다.

현재, 티탄산리튬의 상업적 규모는 아직 매우 작으며 그 장점은 다음과 같습니다. 흑연 이상은 명확하지 않습니다. 헛배부름 현상을 억제하기 위해 티탄산리튬에 대한 많은 보고가 여전히 표면에 초점을 맞추고 있습니다. 코팅 수정

7. 금속 리튬

금속 리튬 양극은 연구된 최초의 리튬 배터리 양극입니다. 그러나 그로 인해 복잡성, 과거 연구 진행 속도가 느렸습니다. 발전과 함께 기술을 바탕으로 금속 리튬 양극에 대한 연구도 개선되고 있습니다. 금속성 리튬 양극의 이론 용량은 3860mAhg-1이며 -3.04V의 초음극 전위. 매우 높은 양극입니다. 에너지 밀도. 그러나 리튬의 높은 반응성과 불균일한 충전 및 방전 시 증착 및 탈착 과정이 발생합니다. 사이클 동안 분쇄 및 리튬 수상돌기 성장으로 인해 급속한 배터리 성능이 저하됩니다.

이에 대한 응답으로 금속 리튬 문제 때문에 연구자들은 금속 리튬을 억제하는 방법을 채택했습니다. 안전성과 사이클 수명을 향상시키기 위해 리튬 양극의 수상돌기 성장, 인공고체전해질계면필름(SEI) 구축 등 필름), 리튬 양극 구조 설계, 전해질 변형 및 기타 방법.

8. 주석 기반 재료

이론적 주석 기반 재료의 비용량은 매우 높으며 이론적 순수 주석의 비용량은 994mAh/g에 달할 수 있습니다. 그러나 주석의 양은 삽입과 탈리 과정에서 금속이 변합니다. 리튬으로 인해 부피가 300% 이상 팽창합니다. 재료 이 부피 팽창으로 인한 변형은 큰 임피던스를 생성합니다 배터리 내부에 배터리 사이클 성능이 저하되고 특정 용량이 너무 빨리 쇠퇴합니다. 일반적인 주석 기반 음극 재료에는 금속 주석, 주석 기반 합금, 주석 기반 산화물 및 주석-탄소 복합재료.