Application of nanotechnology in lithium ion battery

리튬 이온 배터리에 나노 기술 적용

2020년 2월 25일

리튬 이온 배터리, 고효율 에너지 저장 부품으로 가전 제품 분야에서 널리 사용되었습니다. 리튬 이온 배터리는 휴대폰과 노트북에 사용되었습니다. 리튬 이온 배터리는 매우 높은 에너지 저장 밀도 덕분에 이러한 뛰어난 결과를 달성했습니다. 그리고 좋은 안전 성능. 기술의 지속적인 발전으로 리튬 이온 배터리의 에너지 밀도와 전력 밀도도 지속적으로 개선되었으며 그 중 나노 기술은 지울 수 없는 기여를 했습니다. LiFePO4는 전도성이 좋지 않기 때문에 전도성을 향상시키기 위해 사람들은 이를 나노 입자로 준비하여 LiFePO4의 전기화학적 성능을 크게 향상시킵니다. 또한 실리콘 음극은 나노 기술의 수혜자이기도합니다. 나노 실리콘 입자는 리튬 삽입 중 Si의 부피 팽창을 잘 억제하고 Si 물질의 사이클 성능을 향상시킬 수 있습니다.

음극재
1.LiFePO4 소재
LiFePO4 재료는 열 안정성이 우수하고 비용이 저렴합니다. LiFePO4 재료 내부의 고유한 공유 결합 구조로 인해 LFP 재료의 전자 전도도가 매우 낮아 고속 충전 및 방전 성능이 제한됩니다. 이를 위해 LFP 물질을 나노 입자로 만들고 전도성 물질, 전도성 고분자 및 금속과 같은 물질로 코팅합니다. 또한, 나노 LFP 입자에 비 화학량 론적 고용체 도핑 방법을 통합함으로써 LFP 나노 입자의 전자 전도도를 108 증가시킬 수 있으므로 LFP 물질이 3 분 이내에 충전 및 방전 될 수 있습니다. 이는 전기 자동차에 특히 중요합니다.

2. LiMn2O4 물질 분해 억제
LMO 재료는 3차원 Li + 확산 채널을 가지므로 이온 확산 계수가 높습니다. 그러나 Mn3+는 낮은 SoC 상태에서 형성됩니다. Jonh-Teller 효과의 존재로 인해 LMO 구조가 불안정합니다. Mn 원소의 일부는 전해질에 용해되고 최종적으로 음극 표면에 증착되어 SEI 필름의 구조를 파괴합니다. 일부 저가의 주족 금속 이온을 LMO에 추가하여 Mn의 일부를 대체할 수 있으며, 이를 통해 Mn 원소의 원자가 상태를 증가시키고 낮은 SoC에서 Mn3 +를 줄일 수 있습니다. LMO 재료 입자의 표면은 10-20nm 두께의 산화물 및 불화물 층으로 코팅 할 수도 있습니다.

3. NMC 화학 활성을 억제하십시오
NMC 재료, 특히 하이니켈 NMC 재료의 비용량은 200mAh/g 이상까지 높을 수 있으며 사이클 성능이 매우 우수합니다. 그러나 NMC 물질은 하전 상태에서 전해질의 산화에 매우 취약합니다. 하이니켈 NMC 물질과 전해질의 반응성을 억제하기 위해 물질을 나노입자로 코팅하여 물질 입자와 전해질의 직접적인 접촉을 피합니다. 재료의 사이클 수명을 크게 향상 시켰습니다. 또한, 코어-쉘 구조를 갖는 나노입자도 반응성을 줄이는 효과적인 방법입니다. 높은 Mn 쉘은 안정성이 좋지만 용량이 낮고 니켈 코어 용량이 높지만 반응성이 큽니다.

양극재
1. 흑연 재료 보호
흑연 재료는 리튬 삽입 전압이 낮아 리튬 이온 배터리의 음극 재료로 매우 적합합니다. 리튬 도핑된 흑연은 반응성이 강하고 유기 전해질과 반응하여 흑연 시트가 떨어지고 전해질이 분해됩니다. SEI 필름은 전해질의 분해를 억제할 수 있지만 SEI 필름은 흑연 음극에 100% 내성이 없습니다. 양식 보호. 일반적인 흑연 표면 보호 방법에는 표면 산화 및 나노 코팅 기술이 포함됩니다.

나노 코팅 기술에는 비정질 탄소, 금속 및 금속 산화물의 세 가지 범주가 포함됩니다. 그 중 비정질 탄소는 주로 진공 화학 증착 CVD 방법에 의해 얻어지며 비용이 저렴하고 대규모 생산에 적합합니다. 금속 및 금속 산화물 나노 코팅은 주로 습식 화학적 방법으로 얻어지며 흑연을 잘 보호하고 전해질 분해를 방지할 수 있습니다.

2. 리튬 티타네이트 LTO 및 TiO2 재료의 속도 성능 향상
LTO 재료는 안전성이 높고 Li 삽입 및 탈삽입 중에 응력이 발생하지 않으며 리튬 삽입 전위가 높아 전해질의 분해를 일으키지 않습니다. 매우 우수한 양극 재료입니다. 그러나 LTO 재료는 비용량이 낮고 전자 및 이온 전도도가 낮습니다. 현재 나노 기술은 주로 입자 나노 기술, 나노 코팅 기술, LTO 나노 물질 및 전도성 재료 복합 응용 프로그램을 LTO에서 사용합니다. LTO 재료 나노화는 Li +의 확산 거리를 효과적으로 줄이고, 전해질과의 접촉 면적을 늘리고, 전하 교환을 강화하고, 속도 성능을 향상시킬 수 있습니다.

3. 실리콘 양극의 에너지 밀도를 높입니다.
Si 물질의 이론적 비용량은 3572mAh / g에 달하며 이는 흑연 물질보다 훨씬 높습니다. 그러나 Si는 리튬 삽입 및 조리 과정에서 300%의 부피 팽창을 가지므로 입자 파손 및 활물질 흘림이 발생합니다. Si 물질은 Si 입자의 팽창으로 인한 기계적 응력을 완화하기 위해 나노 입자로 만들어집니다.

Li-S 배터리는 에너지 밀도가 높고 비용이 저렴하여 매우 유망한 차세대 에너지 저장 배터리입니다. 그러나 현재 Li-S 배터리가 직면한 주요 문제는 S의 낮은 전도성과 리튬 삽입 제품의 용해 문제입니다. S를 다공성 중공 탄소 또는 금속 산화물 산화물 나노 입자와 혼합함으로써, S의 안정성이 크게 향상될 수 있고, 전극의 사이클링 성능이 향상될 수 있다. 또한, S 및 그래핀 물질의 배합은 S 음극의 사이클링 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다.