Za baterije LFP je značilna dobra ciklična zmogljivost, vendar je njihova hitrost bistveno slabša kot pri ternarnih litijevih baterijah. Zato je mogoče izboljšanje zmogljivosti LFP baterij doseči z osredotočanjem tako na surovine kot na zasnovo formulacije.
I. Ozka grla pri hitrosti litijevega železovega fosfata
Litijev železov fosfat (LiFePO₄, LFP), kot eden najpogosteje uporabljenih katodnih materialov, ima slabo hitrost zaradi dveh glavnih dejavnikov: Prvič, diskontinuirana FeO₆ mreža v strukturi olivina vodi do nizke elektronske prevodnosti (približno 10⁻⁹~10⁻¹⁰ S/cm); drugič, ozki eno{2}}dimenzionalni Li⁺ difuzijski kanali povzročijo počasno hitrost difuzije litijev-ionov (približno 10⁻¹4~10⁻¹⁶ cm²/s). Preprosto povedano, med visoko{7}}hitrostnim polnjenjem in praznjenjem učinkovitost prenosa elektronov in-ionov ne more slediti trenutnemu povpraševanju, kar vodi do povečane polarizacije in znatnega padca zmogljivosti.
V nadaljevanju so opisane strategije izboljšav od materialov, elektrod, elektrolitov do celotnega sistema načrtovanja.
II. Temeljne strategije izboljšav
1. Sprememba katodnega materiala:
(1) Nanostrukturiranje – skrajšanje razdalje prenosa:
Zmanjšanje velikosti delcev LFP na nanoskalo lahko bistveno skrajša difuzijsko pot Li⁺ v trdni fazi, kar zmanjša čas polnjenja in praznjenja. Porozne LFP mikrosfere (sestavljene iz nanodelcev) združujejo visoko zmogljivost in visoko volumetrično energijsko gostoto, zaradi česar so prednostna smer, ki združuje praktičnost in zmogljivost. Vendar je treba opozoriti, da imajo čisti nanomateriali nizko gostoto stiskanja in jih je običajno treba razvrstiti z večjimi delci, da se uravnoteži zmogljivost hitrosti in volumetrična energijska gostota.
(2) Ogljikova prevleka – odpiranje elektronskih kanalov
Enakomerna prevleka površine delcev LFP s prevodno plastjo ogljika je komercialno najbolj zrela metoda modifikacije. Ogljikova plast lahko poveča specifično površino delcev, zmanjša migracijsko razdaljo Li⁺ in hkrati zgradi prevodno mrežo. Uvedba naprednih ogljikovih materialov, kot so ogljikove nanocevke (CNT) in grafen, lahko zgradi visoko učinkovito prevodno omrežje iz tridimenzionalne perspektive "točka-črta-površine"-, s čimer se dodatno izboljša učinkovitost hitrosti. Najnovejši patent družbe Wanrun New Energy zmanjšuje upornost prahu in izpiranje železa z vnosom železovega karbida (0,7 % ~ 3,1 mas. %) v prevlečno plast, s čimer doseže hkratne izboljšave zmogljivosti, ciklične zmogljivosti in hitrosti.
(3) Ionsko dopiranje – pospeševanje iz notranjosti mreže
Dopiranje Na⁺ na mestih Li lahko inducira širjenje mreže in razširi difuzijske kanale Li⁺; dopiranje Ti4⁺ na mestih Fe lahko izboljša stabilnost mreže in reverzibilno zmogljivost. Raziskovalna skupina Lü Wenyan s tehnološke univerze Chongqing je uporabila Na-Ti sinergijsko dopiranje LFP-jev, prevlečenih z ogljikom, s čimer je dosegla 100-odstotno ohranitev zmogljivosti in 99,54-odstotno kulonsko učinkovitost po 1000 ciklih pri visoki hitrosti 5C, kar je pokazalo izjemno odlično dolgoročno-visoko-ciklično stabilnost. Nedavno odobreni patent podjetja Hunan Yuneng za "več{10}}elementno modifikacijo vira ogljika" prav tako dosega izboljšano zmogljivost hitrosti in ciklično stabilnost s siloksanskim cepljenjem kovin-organskih ogrodij, sinergijsko modifikacijo kobaltovega nitrata in bakrovega nitrata.
2. Napredni postopek sintranja: preboj skozi dilemo toplotne obdelave
Karbotermna sinteza LFP se običajno izvaja pri 600-800 stopinjah. Pri tej temperaturi ima nastala ogljikova plast nizko kristaliničnost, njena prevodnost pa je nezadostna za potrebe hitrega polnjenja. Vendar pa zvišanje temperature vodi do grobljenja zrn, kar negativno vpliva na zmogljivost doziranja. Ekipa, ki jo vodi Zhang Mingjian na kitajski univerzi v Hong Kongu (Shenzhen), je v sodelovanju z Li Autom razvila strategijo ultra hitrega sintranja: izpostavljanje komercialnega LFP pri 1000 stopinjah za samo približno 10 sekund, čemur sledi hitro ohlajanje, hkrati pa izboljša kristaliničnost površinske ogljikove plasti (zmanjšanje napak C-O) in difuzijsko zmogljivost litij-ionov. (podvojitev vsebnosti antimesta Fe/Li), hkrati pa se ohrani velikost zrn v nanometru. Modificirani LFP kaže več kot 25-odstotno izboljšanje zmogljivosti s samo 9,8-odstotnim upadom zmogljivosti po 5000 ciklih hitrega polnjenja. Ta metoda zahteva le preproste modifikacije standardne cevne peči, da se doseže kilogramsko-razmerje-navzgor, kar zagotavlja nizko{16}}cenovno pot »nadgradnje po obdelavi« za komercialne materiale.
3. Optimizacija prevodnega sredstva: izdelava tri-dimenzionalne prevodne mreže
Različna prevodna sredstva igrajo različne vloge v elektrodi: prevodne saje (SP) tvorijo točkovne -kot -povezave kratkega dosega, ogljikove nanocevke (CNT) tvorijo linearne srednje{2}}povezave in grafen (GN) gradi ravninske dolge-povezave. Če se uporabljata v kombinaciji, tvorita tri-dimenzionalno sinergistično prevodno mrežo "točkovne-čr-ravnine," kar znatno zmanjša upor elektrod ter izboljša hitrost baterije in delovanje cikla. Preverjeno je bilo, da imajo trojni kompozitni prevodni agensi (saje + CNT + grafen) najboljši učinek izboljšanja kinetične zmogljivosti v litij-železo-fosfatnih baterijah.
4. Optimizacija elektrolitov: sinergijsko pospeševanje tekoče-faze
Elektrolit je medij tekoče-faze, skozi katerega Li⁺ migrira med pozitivno in negativno elektrodo. Optimizacija elektrolita je nepogrešljiv del izboljšanja hitrosti. Navodila za optimizacijo vključujejo:
Lithium Salt Selection: LiFSI (lithium bisfluorosulfonylimide) has good thermal stability (>200 stopinj) in visoko ionsko prevodnost. Kombinacija z LiPF₆ (npr. v razmerju 3:1) lahko uravnoteži stroške in učinkovitost. Sistem topil: topila z nizko-viskoznostjo (kot sta DME, MA) lahko pospešijo transport Li⁺, vendar je treba upoštevati varnost; dodatek FEC (5 %~10 %) lahko izboljša žilavost filma SEI in zavre nastajanje litijevega dendrita.
Funkcionalni dodatki: VC (etilen karbonat, 1% ~ 2%) lahko tvori gost film SEI in zmanjša medfazno impedanco; kombinacija LiNO₃ in LiFSI lahko tvori stabilno plast SEI, ki vsebuje Li₃N-, na negativni elektrodi. Z uporabo optimiziranega elektrolita (etilen karbonat + dimetil karbonat + etil metil karbonat kot topila, VC, 1,3-PS, FEC in acetonitril kot dodatki) stopnja zadrževanja zmogljivosti doseže 95,6 % po 900 ciklih 3C polnjenje-praznjenje in 87 % po 1000 ciklih 6C, kar znatno izboljša kroženje hitrosti uspešnost.
5. Zasnova strukture elektrode: transport ionov z ločevanjem gradientne poroznosti
Pri tradicionalnih eno-slojnih debelih elektrodah aktivni material v bližini zbiralnika toka težko sodeluje pri reakciji zaradi predolge transportne poti ionov. Z uporabo tehnike dvo-slojne prevleke se sredstvo za-tvorjenje por (kot je amonijev bikarbonat) vnese v prevleko elektrode, ki se nahaja stran od zbiralnika toka, s čimer se ustvari gradientna struktura por s postopno naraščajočo poroznostjo od zbiralnika toka do površine elektrode. Poskusi kažejo, da dvo-plastna debela elektroda z gradientnimi porami (77,3 μm) še vedno ohranja specifično kapaciteto praznjenja 40 mAh/g pri hitrosti 5C pri sobni temperaturi, medtem ko ima eno-plastna elektroda z enako površinsko gostoto specifično kapaciteto praznjenja 5C 0. Struktura gradientnih por spodbuja zadostno omočenje elektrolita in hiter transport ionov znotraj debele elektrode, medtem ko visoka gostota zbijanja (večja ali enaka 2,6 g/cm³) pomaga zmanjšati notranji upor in dodatno izboljša hitrost.
O nas
Acey Intelligentje specializirano za raziskave in razvoj ter proizvodnjo opreme za-litijevo-ionske baterije vrhunskega razreda. Ponujamo integrirane-rešitve na enem mestu tako za proizvodne linije baterijskih celic (cilindrične, žetonske celice in celice v vrečkah) kot za montažne linije baterijskih paketov. Za novince v industriji litij-ionskih baterij, ki želijo vzpostaviti lastne linije za sestavljanje celic ali paketov, nudimo strokovno tehnično podporo in vodenje. Kontaktirajte nas.