Οι μπαταρίες LFP χαρακτηρίζονται από καλή απόδοση κύκλου, αλλά η απόδοση του ρυθμού τους είναι σημαντικά χειρότερη από αυτή των τριών μπαταριών λιθίου. Επομένως, η βελτίωση της απόδοσης του ρυθμού των μπαταριών LFP μπορεί να επιτευχθεί εστιάζοντας τόσο στις πρώτες ύλες όσο και στον σχεδιασμό της σύνθεσης.
I. Σημεία συμφόρησης στην απόδοση του ρυθμού του φωσφορικού σιδήρου λιθίου
Ο φωσφορικός σίδηρος λιθίου (LiFePO4, LFP), ως ένα από τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα υλικά καθόδου, πάσχει από κακή απόδοση λόγω δύο βασικών παραγόντων: Πρώτον, το ασυνεχές δίκτυο FeO6 στη δομή ολιβίνης οδηγεί σε χαμηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα (περίπου 10-1-10 S/100). Δεύτερον, τα στενά μονοδιάστατα κανάλια διάχυσης Li+ οδηγούν σε αργό ρυθμό διάχυσης ιόντων λιθίου{{3} (περίπου 10-14~10-16 cm2/s). Με απλά λόγια, κατά τη διάρκεια φόρτισης και εκφόρτισης υψηλών-ρυθμών, η απόδοση μεταφοράς ηλεκτρονίων και ιόντων λιθίου-δεν μπορεί να συμβαδίσει με την τρέχουσα ζήτηση, οδηγώντας σε αυξημένη πόλωση και σημαντική πτώση χωρητικότητας.
Τα παρακάτω περιγράφουν στρατηγικές βελτίωσης από υλικά, ηλεκτρόδια, ηλεκτρολύτες έως το συνολικό σύστημα σχεδιασμού.
II. Βασικές στρατηγικές βελτίωσης
1. Τροποποίηση υλικού καθόδου:
(1) Νανοδομή – Συντόμευση Απόστασης Μετάδοσης:
Η μείωση του μεγέθους των σωματιδίων LFP στη νανοκλίμακα μπορεί να συντομεύσει σημαντικά τη διαδρομή διάχυσης του Li⁺ στη στερεά φάση, μειώνοντας τον χρόνο φόρτισης και εκφόρτισης. Οι πορώδεις μικροσφαίρες LFP (συναρμολογημένες από νανοσωματίδια) συνδυάζουν απόδοση υψηλής ταχύτητας και υψηλή ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας, καθιστώντας τα μια προτιμώμενη κατεύθυνση που συνδυάζει πρακτικότητα και απόδοση. Ωστόσο, θα πρέπει να σημειωθεί ότι τα καθαρά νανοϋλικά έχουν χαμηλή πυκνότητα συμπίεσης και συνήθως πρέπει να ταξινομηθούν με μεγαλύτερα σωματίδια για να εξισορροπηθεί η απόδοση του ρυθμού και η ογκομετρική πυκνότητα ενέργειας.
(2) Επικάλυψη άνθρακα – Άνοιγμα καναλιών ηλεκτρονίων
Η ομοιόμορφη επίστρωση της επιφάνειας των σωματιδίων LFP με ένα αγώγιμο στρώμα άνθρακα είναι η πιο ώριμη εμπορικά μέθοδος τροποποίησης. Το στρώμα άνθρακα μπορεί να αυξήσει την ειδική επιφάνεια των σωματιδίων, να μειώσει την απόσταση μετανάστευσης του Li⁺ και ταυτόχρονα να κατασκευάσει ένα αγώγιμο δίκτυο. Η εισαγωγή προηγμένων υλικών άνθρακα όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) και το γραφένιο μπορεί να δημιουργήσει ένα εξαιρετικά αποδοτικό αγώγιμο δίκτυο από μια τρισδιάστατη προοπτική "σημείου-γραμμής-επιφάνειας", βελτιώνοντας περαιτέρω την απόδοση του ρυθμού. Το τελευταίο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας της Wanrun New Energy μειώνει την ειδική αντίσταση σκόνης και την έκπλυση σιδήρου εισάγοντας καρβίδιο σιδήρου (0,7%~3,1% κατά μάζα) στο στρώμα επίστρωσης, επιτυγχάνοντας ταυτόχρονες βελτιώσεις στην ικανότητα, την απόδοση του κύκλου και την απόδοση του ρυθμού.
(3) Ιόν Ντόπινγκ – Επιτάχυνση από το εσωτερικό του πλέγματος
Το ντόπινγκ Na+ σε θέσεις Li μπορεί να προκαλέσει διαστολή πλέγματος και να διευρύνει τα κανάλια διάχυσης Li+. Το ντόπινγκ Ti4+ σε θέσεις Fe μπορεί να βελτιώσει τη σταθερότητα του πλέγματος και την αναστρέψιμη χωρητικότητα. Η ερευνητική ομάδα του Lü Wenyan στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chongqing χρησιμοποίησε συνεργικό ντόπινγκ Na{1}Ti σε LFP-επικαλυμμένα με άνθρακα, επιτυγχάνοντας 100% διατήρηση χωρητικότητας και κουλομπική απόδοση 99,54% μετά από 1000 κύκλους σε 5C υψηλό ρυθμό{{8}, επιδεικνύοντας εξαιρετικά μακροπρόθεσμο κύκλο{{8} σταθερότητα. Το πρόσφατα εγκεκριμένο δίπλωμα ευρεσιτεχνίας του Hunan Yuneng για "Τροποποίηση πηγής άνθρακα πολλαπλών{10}στοιχείων" επιτυγχάνει επίσης βελτιωμένη απόδοση ρυθμού και σταθερότητα ανακύκλωσης μέσω εμβολιασμού σιλοξάνης μεταλλικών{11}οργανικών πλαισίων, νιτρικού κοβαλτίου και συνεργικής τροποποίησης νιτρικού χαλκού.
2. Προηγμένη διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης: Breaking Through the Heat Treatment Dilemma
Η καρβοθερμική σύνθεση του LFP πραγματοποιείται συνήθως στους 600-800 βαθμούς. Σε αυτή τη θερμοκρασία, το στρώμα άνθρακα που προκύπτει έχει χαμηλή κρυσταλλικότητα και η αγωγιμότητα του είναι ανεπαρκής για τις απαιτήσεις γρήγορης φόρτισης. Ωστόσο, η αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε τραχύτητα των κόκκων, η οποία επηρεάζει αρνητικά την απόδοση του ρυθμού. Η ομάδα με επικεφαλής τον Zhang Mingjian στο Κινεζικό Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (Shenzhen) σε συνεργασία με τη Li Auto έχει αναπτύξει μια στρατηγική υπερταχείας πυροσυσσωμάτωσης: έκθεση του εμπορικού LFP στις 1000 μοίρες μόνο για περίπου 10 δευτερόλεπτα ακολουθούμενη από ταχεία ψύξη, βελτιώνοντας ταυτόχρονα την κρυσταλλικότητα του επιφανειακού στρώματος άνθρακα (μείωση της κρυσταλλικότητας του στρώματος άνθρακα) ικανότητα διάχυσης ιόντων λιθίου{13} (διπλασιάζοντας την περιεκτικότητα σε αντισώματα Fe/Li), διατηρώντας παράλληλα το μέγεθος κόκκων νανοκλίμακας. Το τροποποιημένο LFP παρουσιάζει βελτίωση της απόδοσης του ρυθμού πάνω από 25%, με μόνο 9,8% μείωση της χωρητικότητας μετά από 5000 κύκλους γρήγορης φόρτισης. Αυτή η μέθοδος απαιτεί μόνο απλές τροποποιήσεις σε έναν τυπικό κλίβανο σωλήνων για να επιτευχθεί κλίμακα-kg, παρέχοντας μια διαδρομή "αναβάθμισης μετά την επεξεργασία" χαμηλού κόστους για εμπορικά υλικά.
3. Βελτιστοποίηση αγώγιμου παράγοντα: Κατασκευή ενός τρισδιάστατου αγώγιμου δικτύου-
Διαφορετικοί αγώγιμοι παράγοντες παίζουν διαφορετικούς ρόλους στο ηλεκτρόδιο: η αγώγιμη αιθάλη (SP) κατασκευάζει σημειακές-όπως συνδέσεις μικρής-εμβέλειας, οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNT) δημιουργούν γραμμικές συνδέσεις μέσης-εμβέλειας και το γραφένιο (GN) κατασκευάζει επίπεδες συνδέσεις μεγάλης-εμβέλειας. Όταν χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό, σχηματίζουν ένα τρισδιάστατο συνεργιστικό αγώγιμο δίκτυο "σημείου-γραμμής-επίπεδης", μειώνοντας σημαντικά την αντίσταση των ηλεκτροδίων και βελτιώνοντας τον ρυθμό της μπαταρίας και την απόδοση του κύκλου. Οι τριμερείς σύνθετοι αγώγιμοι παράγοντες (μαύρος άνθρακας + CNTs + γραφένιο) έχουν επαληθευτεί ότι έχουν το καλύτερο αποτέλεσμα βελτίωσης της κινητικής απόδοσης στις μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου.
4. Βελτιστοποίηση ηλεκτρολυτών: Συνεργιστικό υγρό-Επιτάχυνση φάσης
Ο ηλεκτρολύτης είναι το υγρό-μέσο φάσης μέσω του οποίου το Li⁺ μεταναστεύει μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου. Η βελτιστοποίηση του ηλεκτρολύτη είναι ένα απαραίτητο μέρος της βελτίωσης της απόδοσης του ρυθμού. Οι οδηγίες βελτιστοποίησης περιλαμβάνουν:
Lithium Salt Selection: LiFSI (lithium bisfluorosulfonylimide) has good thermal stability (>200 μοίρες ) και υψηλή ιοντική αγωγιμότητα. Ο συνδυασμός του με το LiPF₆ (π.χ. σε αναλογία 3:1) μπορεί να εξισορροπήσει το κόστος και την απόδοση της τιμής. Σύστημα διαλυτών: Οι διαλύτες χαμηλού ιξώδους (όπως DME, MA) μπορούν να επιταχύνουν τη μεταφορά του Li⁺, αλλά πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ασφάλεια. Η προσθήκη FEC (5%~10%) μπορεί να βελτιώσει την σκληρότητα του φιλμ SEI και να καταστείλει τον σχηματισμό δενδρίτη λιθίου.
Λειτουργικά πρόσθετα: Το VC (ανθρακικό αιθυλένιο, 1%~2%) μπορεί να σχηματίσει ένα πυκνό φιλμ SEI και να μειώσει τη διεπιφανειακή αντίσταση. Ο συνδυασμός LiNO3 και LiFSI μπορεί να σχηματίσει ένα σταθερό Li3N-που περιέχει στρώμα SEI στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Χρησιμοποιώντας έναν βελτιστοποιημένο ηλεκτρολύτη (ανθρακικό αιθυλένιο + ανθρακικός διμεθυλεστέρας + ανθρακικός αιθυλομεθυλεστέρας ως διαλύτες, VC, 1,3-PS, FEC και ακετονιτρίλιο ως πρόσθετα), ο ρυθμός συγκράτησης της χωρητικότητας φτάνει το 95,6% μετά από 900 κύκλους 3C, με σημαντική έκπτωση 6% C και 6% C. ρυθμό ποδηλατικής απόδοσης.
5. Σχεδιασμός δομής ηλεκτροδίου: Μεταφορά ιόντων με αποσύνδεση πορώδους κλίσης
Στα παραδοσιακά ηλεκτρόδια πάχους μονής-στοιβάδας, το ενεργό υλικό κοντά στον συλλέκτη ρεύματος είναι δύσκολο να συμμετάσχει στην αντίδραση λόγω της υπερβολικά μεγάλης διαδρομής μεταφοράς ιόντων. Χρησιμοποιώντας μια τεχνική επικάλυψης διπλού-στρώματος, ένας παράγοντας σχηματισμού πόρων (όπως όξινο ανθρακικό αμμώνιο) εισάγεται στην επίστρωση ηλεκτροδίου που βρίσκεται μακριά από τον συλλέκτη ρεύματος, κατασκευάζοντας μια δομή πόρων με βαθμιαία αύξηση του πορώδους από τον συλλέκτη ρεύματος στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Πειράματα δείχνουν ότι το ηλεκτρόδιο πάχους διπλού-πόρων βαθμίδωσης (77,3 μm) εξακολουθεί να διατηρεί ειδική χωρητικότητα εκφόρτισης 40 mAh/g σε ρυθμό 5C σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ το ηλεκτρόδιο μονής-στρωματικής στρώσης με την ίδια πυκνότητα επιφάνειας έχει ειδική ικανότητα εκφόρτισης 5 C εντός 0. ηλεκτρόδιο, ενώ η υψηλή πυκνότητα συμπίεσης (Μεγαλύτερη ή ίση με 2,6 g/cm³) συμβάλλει στη μείωση της εσωτερικής αντίστασης και στην περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης του ρυθμού.
Σχετικά με εμάς
Acey Intelligentειδικεύεται στην Ε&Α και την κατασκευή εξοπλισμού μπαταριών ιόντων λιθίου-υψηλής ποιότητας. Προσφέρουμε ολοκληρωμένες λύσεις one-stop τόσο για γραμμές παραγωγής κυψελών μπαταριών (κυλινδρικές, κυψέλες νομισμάτων και θήκης) όσο και για γραμμές συναρμολόγησης πακέτων μπαταριών. Για τους νεοεισερχόμενους στη βιομηχανία μπαταριών ιόντων λιθίου-που επιθυμούν να δημιουργήσουν τις δικές τους γραμμές συναρμολόγησης κυψελών ή πακέτων, παρέχουμε επαγγελματική τεχνική υποστήριξη και καθοδήγηση. Μη διστάσετε να επικοινωνήσετε μαζί μας.