Fire kernematerialefunktionelle systemer i lithiumbatterier
Materialer til positive elektroder
Funktionel positionering: Lithium-ion-lagringskilde, der tegner sig for mere end 30% af de samlede batteriomkostninger, dominerer energitæthed og arbejdsspænding
Mainstream-typer:
Lithiumkoboltoxid (LiCoO₂): energitæthed på 200 Wh/kg, anvendes i mobiltelefoner/bærbare computere, men koboltressourcer er knappe, og den termiske stabilitet er dårlig
Lithiummanganoxid (LiMn₂O₄): lav pris, høj sikkerhed (150 Wh/kg), anvendes i elværktøj, forringet ydeevne ved høje temperaturer i miljøcyklusser
Ternære materialer (LiNiₓCoᵧMn₂O₂): energitætheden overstiger 250 Wh/kg, balancerer ydeevne og omkostninger, dominerer markedet for elbiler, formel med højt nikkelindhold øger risikoen for termisk løbskhed
Lithiumjernfosfat (LiFePO₄): ekstremt høj sikkerhed, lang levetid (140 Wh/kg), lav pris men svag ydeevne ved lave temperaturer, meget anvendt i erhvervskøretøjer og energilagringskraftværker
Materialer til negative elektroder
Funktionel positionering: Lithium-ion-indlejringsbærer, bestemmer opladnings- og afladningshastigheden og levetiden
Kommercielle løsninger:
Grafit negativ elektrode: fremragende ledningsevne, volumenændring <10%, cykluslevetid >1000 gange, teoretisk kapacitet øvre grænse 372mAh/g begrænser energitæthedsforbedringen
Gennembrud i grænseområder:
Siliciumbaseret negativ elektrode: teoretisk kapacitet 4200 mAh/g (mere end 10 gange grafits), men en udvidelse af opladnings- og afladningsvolumenet på 300 % fører til elektrodebrud, hvilket skal afhjælpes med nano-silicium-kulstof-komposit (siliciumandel <15 %)
Metal tin negativ elektrode: kapacitet 992 mAh/g, volumenudvidelse 260% fører til en cykluslevetid på mindre end 200 gange
Litiummetal negativ elektrode: ultimativ opløsning (3860 mAh/g), fast elektrolyt er nødvendig for at hæmme dendritvækst
Membran
Funktionel positionering: elektronisk isolator og selektiv lithium-ion-kanal, mikroporøs struktur forhindrer kortslutning mellem positive og negative elektroder
Nøgleteknologier:
Porøsitet på 40%-60% sikrer balance mellem ionledning og mekanisk styrke
Porøsiteten af polyethylenmembranen (PE) er 130 ℃, hvilket blokerer strømmen i tilfælde af termisk løbskhed
Keramisk belægning forbedrer højtemperaturresistens over 200 ℃
Elektrolyt
Funktionel positionering: ionledende medium, bestemmer batteriets sikkerhedsvindue og temperaturtilpasningsevne
Systemklassificering:
Flydende elektrolyt: lithiumhexafluorophosphat (LiPF₆) karbonatopløsning, der anvendes i forbrugerelektronik og batterier
Gelpolymer: polyethylenoxid-bistrifluormethansulfonylimidlithium (PEO-LiTFSI) system, egnet til fleksible enheder
Fast elektrolyt: sulfid-/oxidkrystal, der muliggør den næste generation af højsikkerhedsbatterier
Fremskridt i forskningen på nye materialer
Højkapacitets positiv elektrode:
Lithiumrig manganbaseret (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂) kapacitet overstiger 300 mAh/g
Teoretisk energitæthed for svovlpositiv elektrode 2600 Wh/kg, behov for at overvinde problemet med polysulfidopløsning
Hurtigopladende negativ elektrode:
Lithiumtitanat (Li₄Ti₅O₁₂) har en "nulbelastnings"-egenskab, der opnår 10.000 cyklusser, men spændingsplatformen på 1,55 V reducerer batteriets fulde output.
Fast elektrolyt:
Sulfid-ionernes (såsom Li₁₀GeP₂S₁₂) ledningsevne er tæt på flydende elektrolyts, grænsefladeimpedans og masseproduktionsomkostninger hæmmer industrialiseringen.
Materiel synergi og økonomi
Positive elektrodematerialer (omkostningerne tegner sig for 30%) dominerer energitætheden, negative elektrodematerialer (15%) bestemmer levetiden, elektrolyt (10%) skaber et sikkerhedsvindue, og membran (20%) sørger for termisk sikkerhedsbeskyttelse. De fire hovedmaterialer skal systematisk matches, og gennembruddet af et enkelt materiale skal tage hensyn til hele systemets kompatibilitet. Den nuværende teknologiiteration fokuserer på tre hovedspor: højt nikkelindhold i den positive elektrode for at forbedre den specifikke energi, silicium-kulstof negativ elektrode for at bryde igennem kapacitetsflaskehalsen og fast elektrolyt for at eliminere sikkerhedsrisici.
