Els últims avenços en la supressió de flatulència en bateries de titanat de liti

El grup espacial Li4Ti5O12 (Li4Ti5O12 comunament conegut com LTO) pertany a l'estructura de fd3m, espina. A causa del seu únic canal de difusió d'ions de liti tridimensional, té els avantatges d'excel·lents característiques de potència i un bon rendiment alt i baix temperatura. Al mateix temps, l'estructura cristal·lina del titanat de liti pot mantenir una alta estabilitat durant el cicle de desintercalació d'ions de liti i el canvi de volum és inferior a l'1%, la qual cosa estableix les bases perquè el titanat de liti es converteixi en un important material d'elèctrode negatiu. Més important encara, elimina els perills ocults de la seguretat de la bateria i es coneix com el material d'elèctrode negatiu més segur per a bateries de liti. L'estructura física del titanat de liti és adequada com a material d'elèctrode negatiu per a bateries de liti, així que quines són les seves característiques electroquímiques? En comparació amb els materials d'ànode de carboni, el titanat de liti té un major potencial de 1.55V vs Li +/Li, una capacitat teòrica de 175mAh / g, un voltatge de circuit obert de 2.4V, i una plataforma de menor densitat d'energia i tensió.

Les bateries de titanat de liti tenen els avantatges d'alta seguretat, càrrega d'alta velocitat, vida de cicle llarg, etc. No obstant això, quan el titanat de liti s'utilitza com l'elèctrode negatiu, la bateria tindrà una flatulència greu durant el cicle de càrrega i descàrrega, que és més greu a altes temperatures. Tot i que la investigació sobre la flatulència de les bateries de titanat de liti mai s'ha aturat, inclosa la modificació del recobriment de carboni, la hibridació, la nanometerització, etc., el problema de flatulència no s'ha solucionat completament, la qual cosa dificulta la promoció del mercat de bateries de titanat de liti.

1. Mecanisme de flatulència de la bateria de titanat de liti

La comunitat acadèmica creu que la raó per la qual la flatulència de la bateria de titanat de liti / NCM és més greu que la de grafit / NCM és que el titanat de liti no pot formar una pel·lícula sei en la seva superfície com una bateria del sistema d'ànode de grafit per inhibir la seva reacció amb l'electròlit. Durant el procés de càrrega i descàrrega, l'electròlit sempre està en contacte directe amb la superfície de Li4Ti5O12, resultant en la reducció contínua i descomposició de l'electròlit a la superfície del material Li4Ti5O12, que pot ser la causa principal de la flatulència de la bateria Li4Ti5O12.

Els principals components del gas són H2, CO2, CO, CH4, C2H6, C2H4, C3H8, etc. Quan el titanat de liti està immers en l'electròlit sol, només es produeix CO2. Després de convertir-se en una bateria amb materials NCM, els gasos produïts inclouen H2, CO2, CO i una petita quantitat d'hidrocarburs gasosos. Durant la càrrega i descàrrega, es produeix H2, i el contingut d'H2 en el gas produït al mateix temps supera el 50%. Això indica que el gas H2 i CO es generarà durant el procés de càrrega i descàrrega.

LiPF6 té el següent equilibri en l'electròlit:

PF5 és un àcid fort, que causa fàcilment la descomposició dels carbonats, i la quantitat de PF5 augmenta amb l'augment de la temperatura. PF5 ajuda a l'electròlit a descompondre's per produir CO2, CO i gas CxHy. Segons estudis relacionats, la generació d'H2 prové d'aigua traça en l'electròlit, però el contingut d'aigua en l'electròlit és generalment d'uns 20 ×10-6, el que contribueix molt poc a la producció d'H2. Wu Kai de la Universitat Jiaotong de Xangai va utilitzar grafit / NCM111 com la bateria en el seu experiment i va arribar a la conclusió que la font de H2 és la descomposició del carbonat sota alta tensió.

2. Inhibició de flatulència en bateries de titanat de liti

En l'actualitat, hi ha principalment tres solucions per inhibir la flatulència de les bateries de titanat de liti. En primer lloc, el processament i modificació de materials d'ànode LTO, incloent mètodes de preparació millorats i modificació de superfícies, etc.; en segon lloc, el desenvolupament d'electròlits que coincideixen amb els ànodes LTO, incloent additius, sistema de dissolvent; en tercer lloc, millorar la tecnologia de la bateria.

(1) Millorar la puresa de les matèries primeres i evitar la introducció d'impureses durant el procés de fabricació. Les partícules d'impuresa no només catalitzaran la classificació de l'electròlit per generar gas, sinó que també reduiran així el rendiment, la vida del cicle i la seguretat de la bateria de liti. Per tant, s'ha de minimitzar la introducció d'impureses a la bateria.

(2) La superfície del titanat de liti està coberta amb partícules nano carboni. La raó aparent per a la formació de gas en l'elèctrode negatiu LTO és que la formació de la pel·lícula SEI és més lenta i menys, el que condueix al fenomen de la flatulència que acompanya la seva vida. L'estudi va trobar que es va establir una capa aïllant entre el titanat de liti i la interfície d'electròlits (com ara la construcció d'una capa de recobriment nanocar carboni a la superfície de titanat de liti (LTO/C), i la pel·lícula d'interfície d'electròlits sòlids (SEI) formada sobre la capa de recobriment) D'una banda, l'àrea de contacte entre el material LTO i l'electròlit es redueix per evitar la generació de gas. D'altra banda, el carboni en si pot produir una pel·lícula sei per compensar la manca de LTO, i al mateix temps, també pot millorar la conductivitat del material LTO. Els resultats de recerca anteriors poden resoldre el problema de la producció de bateries de titanat de liti. El comportament del gas és de gran importància, i promou el disseny i l'aplicació a gran escala i el desenvolupament de bateries d'energia de titanat de liti d'alta energia.

(3) Millorar la funcionalitat de l'electròlit. Per al desenvolupament de nous electròlits, moltes patents tendeixen a utilitzar additius per promoure la formació d'una densa pel·lícula SEI a la superfície de l'LTO per suprimir l'aparició de reaccions laterals a la interfície entre l'LTO i l'electròlit. Certs additius d'electròlits, com ara carbonats fluorats i fosfats, són propicis per a la formació d'una pel·lícula SEI estable sobre la superfície positiva de l'elèctrode, reduint la dissolució d'ions metàl·lics a la superfície positiva de l'elèctrode, reduint així la generació de gas. Els additius que formen pel·lícules també poden inhibir la producció de gas. Els additius de formació de pel·lícules afegides inclouen borate de liti, succinonitrile o adiponitrile, i compostos amb l'estructura de R-CO-CH=N2 (on R és C1-C8 alkyl o fenil), fosfat cíclic, derivats fenils, derivats de fenilè, additius lif, etc., aquests additius formant pel·lícules són tots propicis per a la formació de pel·lícula SEI a la superfície de l'LTO, i inhibeixen l'aparició de flatulència en certa mesura.

(4) Recobriment positiu de superfície d'elèctrode. Cobrir la superfície de l'elèctrode positiu amb un compost estable, com l'alúmina, pot inhibir eficaçment la dissolució d'ions metàl·lics. No obstant això, una capa de recobriment massa complexa inhibirà la desintercalació dels ions de liti i afectarà el rendiment electroquímic del material.

(5) Millorar la tecnologia de producció de bateries. Quan es produeix la bateria, cal controlar la humitat ambiental i la introducció de la humitat durant l'operació. Es pot saber per la causa del gas que la humitat en l'aire reaccionarà amb el material d'elèctrode positiu per formar carbonat de liti i accelerar la descomposició de l'electròlit per generar diòxid de carboni. A més, el material de titanat de liti en si té una absorció d'aigua extremadament forta (s'ha d'operar en una sala seca). Després de la peça de pol negatiu absorbeix la humitat, reaccionarà amb PF5 produït per la descomposició reversible de l'electròlit per formar H2, de manera que el control estricte de la humitat és essencial.