Ионные аккумуляторы: Аккумуляторы – Преимущества литий‑ионного аккумулятора – Apple (RU) — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Литий-ионные аккумуляторы (Li-Ion)

Корзина: пусто

+7 495 476-64-13
8 800 101-19-36

Сортировка: Без сортировкиПопулярныеНовинкиСначала дешевлеСначала дорожеПо размеру скидкиВысокий рейтингНазванию, по возрастаниюНазванию, по убыванию

Код:

1485622

2 410

р.

Код:

1575534

2 770

р.

Код:

1545572

2 940

р.

Код:

1577835

2 950

р.

Код:

1544605

3 240

р.

Код:

1577807

3 390

р.

Код:

1577808

4 190

р.

Код:

732115

5 447

р.

Код:

1575536

6 190

р.

Код:

1575539

6 190

р.

Код:

1577814

6 490

р.

Код:

1577815

7 190

р.

Код:

1485623

8 070

р.

Код:

732114

8 952

р.

Код:

997008

9 190

р.

Код:

732117

9 825

р.

Код:

1575540

10 790

р.

Код:

1575537

10 890

р.

Код:

1577816

11 590

р.

Код:

1577817

11 590

р.

Код:

1577818

11 690

р.

Код:

1577819

13 290

р.

Код:

997012

13 990

р.

Код:

997009

14 990

р.

Код:

1577820

16 490

р.

Код:

1577821

19 990

р.

Код:

1577832

21 190

р.

Код:

742784

22 121

р.

Код:

997013

22 990

р.

Код:

742779

28 411

р.

Код:

742777

35 192

р.

Код:

742778

40 778

р.

Код:

997014

69 990

р.

Код:

699863

Под заказ

Код:

997010

12Следующая

Литиевые аккумуляторы Литий-ионная батарея заказать у официального представителя TAB

Литиевые аккумуляторы Литий-ионная батарея заказать у официального представителя TAB | БАТ-сервис

«БАТ-Сервис»
Продукция
Литиевые аккумуляторные батареи
Литий-ионная батарея

Гарантия качества Весь товар сертифицирован

Доставка по всей России и СНГ

Описание
Документы

Описание

ЭКОЛОГИЯ И ПЛАНЕТА

Лионные аккумуляторы TAB разработаны для устойчивого будущего нашей планеты
Нет опасности выливания жидкой кислоты при несчастном случае.
Меньший выброс CO2
Лучшая энергоэффективность благодаря низким потерям во время заряда

ПРЕИМУЩЕСТВА

Нет необходимости в строительстве и использования зарядной комнаты
Большая гибкость в выборе способа зарядки (например использование встроенного ЗУ)
Нет опасности взрыва и полное отсутствие газовыделения и запахов
Значительно больший сроки жизни
Высокая производительность благодаря возможности быстрой зарядки
Система литий-ионных аккумуляторов TAB абсолютно не требует обслуживания
Лионные аккумуляторы TAB открывают новые возможности складской логистики

Документы

TAB Lithium-Ion web

516.6 Кб

Назад к списку

Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по товару

Задать вопрос

Цель нашей компании —
предложение широкого ассортимента товаров и услуг на постоянно высоком качестве обслуживания.

Перспективы литий-ионных аккумуляторов и далее — взгляд на 2030 год

Было бы неразумно предполагать, что эра «обычных» литий-ионных аккумуляторов приближается к концу, поэтому мы обсуждаем текущие стратегии по улучшению систем текущего и следующего поколения, где потребуется целостный подход, чтобы разблокировать более высокую плотность энергии, сохраняя при этом срок службы и безопасность. Мы заканчиваем кратким обзором областей, в которых фундаментальные научные достижения потребуются для создания революционно новых аккумуляторных систем.

Литий-ионные аккумуляторы (LIB), впервые коммерчески разработанные для портативной электроники, теперь повсеместно используются в повседневной жизни, во все более разнообразных приложениях, включая электромобили, электроинструменты, медицинские устройства, смарт-часы, дроны, спутники и устройства хранения данных. . По мере увеличения использования батарей растут и специфические требования, с растущим расхождением конструкций и размеров батарей, подходящих для каждого конкретного применения. Насущной задачей, особенно в течение следующего десятилетия, является разработка аккумуляторов, которые внесут значительный вклад в сокращение и, в конечном итоге, устранение выбросов углерода в некоторых странах, включая Великобританию, уже к 2050 году, чтобы смягчить глобальное потепление. Нынешние LIB подходят для регулирования частоты, краткосрочного хранения и приложений микросетей, но расходы и, в конечном итоге, проблемы с минеральными ресурсами по-прежнему препятствуют их широкому распространению в сети. Существует множество альтернатив без явных победителей или предпочтительных путей к конечной цели — разработке батареи для широкого использования в сети.

Современные LIB очень оптимизированы, работают от месяца до года, а некоторые, как ожидается, будут работать десятилетиями. Это значительное достижение, учитывая, что многие материалы работают за пределами своего окна термодинамической стабильности. Аноды (отрицательные электроды) литируют до потенциалов, близких к металлическому литию (~ 0,08 В по сравнению с Li/Li ⁺ ) при зарядке, где нет стабильных электролитов. Вместо этого батарея выживает за счет формирования пассивирующего слоя или межфазного слоя твердого электролита (SEI), предотвращающего дальнейшее разложение электролита. Со стороны катода коррозия алюминиевого токосъемника смягчается разложением солей электролита, что опять же приводит к образованию стабильного пассивирующего слоя. Катодные материалы были оптимизированы для минимизации потерь кислорода при более высоких температурах, чтобы помочь предотвратить «тепловой разгон» и выдерживать механические нагрузки повторяющихся изменений объема, связанных с удалением и введением лития.

В то время как некоторые достижения были случайными, большинство из них было результатом обширных и глобальных исследований, которые привели к высокооптимизированной системе, подходящей для многих целей. Следовательно, наши современные коммерческие системы содержат материалы, работающие с плотностями энергии, работающими все ближе к своим фундаментальным пределам, т. е. дальнейшее удаление лития с катода приводит к необратимым структурным превращениям или потере кислорода, а на аноде не остается вакансий в решетке для вместить больше ионов лития. Сепараторы и токосъемники становятся тоньше, а батареи переходят на более высокое напряжение благодаря поверхностным покрытиям, добавкам к электролиту и оптимизации морфологии.

Было бы неразумно предполагать, что эра «обычных» LIB подходит к концу; многие инженерные и химические подходы все еще доступны для улучшения их характеристик. В то время как многие исследования сосредоточены на улучшении отдельных компонентов, потребуется целостный подход, чтобы добиться более высокой плотности энергии при сохранении срока службы и безопасности.

Ресурсы также имеют решающее значение при значительном увеличении производства. Переход от LiCoO ₂ (LCO) (в портативных автомобилях) к материалам с высоким содержанием никеля в электромобилях (решение проблем добычи Co) означает, что ресурсы никеля также становятся критически важными. Это послужило поводом для переоценки использования катодного материала с более низким напряжением LiFePO 9.0015 4 . Тогда возникает вопрос, куда дальше? Путь от разработки в лабораторных масштабах до выхода на рынок долог, и, поскольку этот комментарий посвящен видению 2030 года, мы выделяем исследования, которые могут повлиять на наш мир в текущем десятилетии, но затем кратко коснемся работы, необходимой для достижения глобального нулевого уровня выбросов углерода ( ZC) цели на ближайшие десятилетия.

Оптимизация текущих коммерческих и связанных с ними химических процессов

Это область, в которой проводятся масштабные глобальные фундаментальные и прикладные исследования. Особое внимание уделяется смягчению деградации, увеличению срока службы (и косвенной стоимости), а также потому, что деградация становится более серьезной по мере увеличения напряжения, и, например, к катоду и аноду добавляется больше Ni и Si соответственно. Также есть надежда, что результаты этих исследований можно будет обобщить и применить к химическому составу батарей следующего поколения. Этим исследованиям способствует впечатляющее развитие новых экспериментальных и теоретических инструментов и методологий, включая оперативные измерения, которые могут изучать батареи, которые ближе к практическому устройству, с улучшенным временным и пространственным разрешением и повышенной чувствительностью. В случае ЯМР-спектроскопии, одна из областей, на которой сосредоточены авторы, методы динамической ядерной поляризации (DNP), включающие перенос намагниченности от неспаренных электронов к ядерным спинам, использовались для усиления сигнала SEI, а в последнее время для усиления сигнала SEI. исследовать границу раздела литий-металл-SEI ¹ . Двигаясь вперед, метод DNP, вероятно, будет играть все более важную роль в изучении скрытых интерфейсов, повсеместно встречающихся в батареях. Теперь мы обсудим некоторые конкретные проблемы более подробно.

Катоды

На рисунке 1 представлены текущие и будущие стратегии по увеличению срока службы элементов в батареях с катодными материалами с высоким содержанием никеля. По мере того как эти материалы положительного электрода подвергаются все более высоким напряжениям и содержанию никеля, повышенная скорость окисления электролита и рост поверхностного слоя каменной соли (RSL) становятся все более проблематичными для поддержания практического срока службы элемента, образование RSL обычно приводит к повышению импеданса ^2,3 . Было высказано предположение, что образование RSL и сопутствующая потеря кислорода являются основной движущей силой окисления электролита при высоких напряжениях, а не токах Фарадея, влияющих на материалы от LiNiO ₂ до LCO ^4,5 . Тем не менее остается много фундаментальных вопросов. Какие химические факторы определяют скорость диффузии кислорода и рост RSL? Почему (и когда) наблюдается синглетный кислород и как он образуется? Окисляются ли компоненты электролита на поверхности электрода или в растворе? Более высокое содержание никеля также связано с большими анизотропными изменениями объема во время циклирования, представляющими собой источник внутри- и межкристаллитного растрескивания, и «усталыми» фазами с более низкой практической емкостью.

Рис. 1: Возможные подходы к увеличению срока службы положительных электродов LiMO ₂.

Материалы сердцевины-оболочки и градиентные материалы используют более стабильные составы (часто с более низким содержанием никеля) вблизи поверхности электрода, чтобы минимизировать реактивность электрод-электролит, и богатую никелем стехиометрию ядра для увеличения плотности энергии. Электролитные добавки представляют собой соединения, добавляемые в раствор электролита в количестве порядка нескольких процентов по весу для увеличения срока службы и безопасности элемента, например, путем взаимодействия с поверхностью электрода с образованием защитного «барьерного» слоя. Поверхностные покрытия (наносимые различными способами) на материал электрода могут улучшить стабильность при циклировании и срок службы за счет поглощения коррозионно-активного HF, физического блокирования попадания компонентов электролита на поверхность электрода, замедления роста RSL за счет блокирования потери кислорода из активного материала и за счет другие химические реакции с компонентами электролита. Термическая обработка материалов с поверхностным покрытием может использоваться для получения материалов с поверхностным легированием, обладающих повышенной химической стабильностью и препятствующих росту поверхностных слоев каменной соли. Одной из тенденций в исследованиях морфологии частиц является увеличение размеров первичных частиц (т. е. переход от поликристаллических к «монокристаллическим» материалам), в то время как будущие перспективы включают синтез точно настроенных форм и размеров частиц. (TEM RSL адаптировано из Lin et al. ¹⁴).

Изображение в натуральную величину

Хотя сроки получения ответов неясны, эти и другие основные вопросы почти наверняка будут все больше изучаться и обсуждаться в ближайшие годы. Новое понимание позволит разработать более стратегические методы смягчения путей деградации (рис. 1). Частицы ядро-оболочка могут быть получены с оптимизированными градиентами различных переходных металлов и металлов s/p-блока, а также с толщиной слоя со стабильными поверхностями и ядрами с более высокой плотностью энергии — в соответствии с рядом новаторских исследований ⁶ ; стехиометрия поверхностного покрытия и легирующие элементы могут быть выбраны для снижения скорости потери кислорода и образования RSL; поверхностно-модифицирующие добавки к электролиту могут быть разработаны для ингибирования выделения синглетного кислорода и замедления окисления электролита. Разработка подробных микромеханических моделей поможет оптимизировать морфологию частиц — размер и форму — для различных материалов и областей применения. Однако все эти возможные достижения зависят от способности специалистов связать фундаментальные концепции со сложным многопроцессорным поведением современных ЛИА и, в конечном счете, продемонстрировать, что это ведет к увеличению срока службы. Для этого требуется расширенное фундаментальное понимание, полученное путем тщательных экспериментальных и теоретических исследований.

Аноды

«Очевидная» победа предполагает замену графита либо кремнием, либо оксидом кремния из-за их плотности энергии в пять-десять раз выше. Однако это не так просто: SiO _x вызывает значительную необратимую потерю емкости в первом цикле, связанную с образованием неорганических соединений, таких как Li ₂ O и Li ₄ SiO ₄ ⁷ . Стабильный SEI не образуется на кремнии отчасти из-за большого объемного расширения, которое является прямым следствием его большой емкости. Хотя необратимые потери емкости в первом цикле ниже, в настоящее время трудно достичь достаточно высокой кулоновской эффективности для приложений, требующих> 300–500 циклов. Многие современные коммерческие элементы содержат небольшие количества SiO _x (2–10 %) в графитовые аноды, что обеспечивает небольшой прирост емкости. Полимерные и графеновые (углеродные) покрытия (и мезоструктуры/оболочки) в сочетании с различными добавками к электролиту были предложены для увеличения кулоновской эффективности и обеспечения возможности использования более высокого содержания Si. В качестве альтернативы ограничение диапазона, в котором кремний литируется, сводит к минимуму объемное расширение, что приводит к более стабильному SEI. Композиты графит-кремний создают другие проблемы, включая механическое измельчение графита, вызванное расширением/сжатием кремния. Каланирование графита для увеличения его практической объемной плотности энергии приведет к большему механическому измельчению. В то время как Si будет играть роль в будущих технологиях аккумуляторов, остается вопрос, в какой степени долговечность элементов и безопасность возьмут верх над повышенной плотностью энергии. Ответы будут разными в разных секторах, Si, скорее всего, играет большую роль в батареях, где срок службы и безопасность менее важны.

Электролиты и другие компоненты элементов

Для увеличения объемной доли, занимаемой активными электродными материалами, что опять же снижает стоимость, токосъемники и полимерные сепараторы с годами стали намного тоньше. Более высокие нагрузки также могут быть достигнуты за счет увеличения толщины активного слоя, уменьшения доли связующего и уменьшения пористости. Все это требует повышенного транспорта электролита (ионного) для поддержания скорости, что уже является областью активных исследований для технологий быстрой зарядки аккумуляторов ⁸ . Транспортные свойства и молекулярные структуры новых химических растворов (например, новые системы растворителей, высококонцентрированные соли) становятся все более понятными ^9,10 . Ожидается, что фундаментальные исследования — как эксперименты, так и расчеты — физико-химических свойств новых композиций электролитов будут продолжать вести к новым материалам и пониманию их свойств. Кроме того, необходимо лучше охарактеризовать структуру и устойчивость СЭИ в различных растворах и условиях (температура, напряжение). Такие идеи будут способствовать разработке оптимизированных добавок/покрытий для использования альтернативных электролитов при сохранении срока службы элементов. Интенсивный сравнительный анализ и анализ жизненного цикла этих систем остаются потребностью настоящего и будущего. Наконец, их стоимость и безопасность обращения должны быть доказаны, прежде чем станет возможным широкое или крупномасштабное внедрение, последнее представляет собой важную, но недостаточно представленную область исследований.

Материалы и аккумуляторы следующего поколения

Здесь стратегии можно условно разделить на следующие категории:

(1)
Поиск новых электродных материалов ЛИА.
(2) Аккумуляторы
«Индивидуальные» для более широкого спектра применений.
(3)
Отказ от традиционных жидких электролитов, например, ионных жидкостей, электролитов с высоким содержанием солей и твердотельных аккумуляторов (SSB).
(4)
Включение анионных окислительно-восстановительных химических процессов — литий-воздух, литий-сера и другие.
(5)
Выход за пределы Li: Na, Mg, Ca, Al.
(6)
Разделение электрохимии и хранения — проточные окислительно-восстановительные батареи.

Поиск новых материалов для электродов ЛИА представляет собой область со значительными трудностями. Хотя о новых материалах или морфологиях сообщается регулярно, чтобы быть коммерчески значимыми, они должны быть масштабируемыми. Объемная и гравиметрическая плотности энергии должны отражать плотность энергии электрода, а не только самих материалов, т. е. должна быть продемонстрирована производительность электрода, который содержит достаточно активного материала, чтобы обеспечить требуемую плотность энергии для рассматриваемого применения. Относительно рано в рамках проекта «Материалы» была изучена вся база данных неорганических структур (ICSD) и материалы, предложенные с помощью алгоритмов интеллектуального анализа данных (включая простую замену элементов при сохранении фиксированного типа структуры) — на тот момент это было более 10 000 материалов. В то время как было получено значительное представление о том, какие структурные особенности управляют напряжением и т. Д., Было обнаружено лишь ограниченное количество новых классов аккумуляторных материалов. Например, были идентифицированы углеродофосфаты, которые представляли тип минеральной структуры, который ранее не был синтезирован и испытан в применениях в батареях ¹¹ . Последующая деятельность по прогнозированию структуры привела к созданию многих (мета)стабильных структур, но остается проблема идентификации структур, которые устойчивы к циклированию, например, к потере кислорода, особенно в верхней части заряда, или, в более общем плане, к структурным реорганизациям. Даже если структура предсказана, в настоящее время нелегко предсказать, можно ли и как ее синтезировать ¹² .

Область, которая в последнее время привлекла значительное внимание, связана с окислительно-восстановительным потенциалом переходного металла и аниона. В то время как установлено в химии на основе серы, где ионы сульфида, S ^2– , может легко и обратимо окисляться до персульфидов, S ₂ ^2– и до элементарной серы (в литий-серных батареях), существуют четкие различия, когда анион представляет собой оксид-ион. Более высокая окислительно-восстановительная пара O ²⁻ / O ⁻ означает, что окислительно-восстановительный потенциал анионов может происходить одновременно с химическим окислительно-восстановительным потенциалом катионов, обеспечивая более высокие емкости и связанные процессы. Проблемы связаны с часто сопровождающей нестабильностью в отношении потери кислорода и структурными изменениями, которые сопровождают удаление лития. Последнее может привести к гистерезису между зарядом и разрядом и «падению напряжения», наблюдаемому в так называемых материалах с избытком лития. Хотя это и не связано напрямую, многие из этих химических препаратов связаны с плохими показателями. Тем не менее, «материалы с избытком лития» содержат более высокое содержание Mn, чем типичные катодные материалы типа EV, и поэтому они могут быть как более дешевыми, так и более экологически чистыми, что еще больше мотивирует их изучение. В ближайшие 10 лет мы увидим более глубокое понимание того, как эти материалы функционируют и как можно уменьшить потерю кислорода. Возможно, появятся приложения, в которых они смогут оказать влияние?

Мы не коснулись широкого круга электродных материалов, исследованных в настоящее время в течение многих лет, которые включают химические процессы замещения или конверсии, где литирование (или натрий) приводит к частичной или полной перестройке решеток. Здесь проблемы включают скорость, гистерезис напряжения и срок службы. Металлический литий по-прежнему привлекает значительное внимание в качестве анода, но образование литиевых дендритов остается проблемой, что создает значительный стимул для продвижения всех твердотельных аккумуляторов (SSB) с твердотельными электролитами.

Ни один из химических процессов, выходящих за пределы Li, не является простым, за исключением, возможно, Na, где могут быть применены многие знания для LIB. Но даже здесь существуют отчетливые различия из-за большего размера Na, который благоприятствует различным координационным средам и решеткам (например, графит не может вместить Na), и более высокой растворимости солей Na в SEI, что означает, что различные добавки к электролиту являются обязательными.

Стоит задуматься над вопросом, в какой степени новые развивающиеся или более мелкие «нишевые» рынки могут терпеть новые химические составы аккумуляторов, или всегда ли снижение затрат, связанное с масштабом, будет способствовать использованию ограниченного набора химических составов аккумуляторов. Оксид лития-титана (LTO) в настоящее время имеет относительно скромный рынок для приложений, включая быструю зарядку, где безопасность и способность работать в широком диапазоне температур являются проблемой: материал анода работает при 1,55 В по сравнению с Li, где нет ни покрытия Li, ни обычное формирование SEI является проблемой. Разрабатываются альтернативы LTO, которые включают оксид ниобия-титана (NTO) от Toshiba и соединения оксида ниобия-вольфрама в нашей лаборатории с потенциальными применениями в батареях от малых до сетевых. Батареи с другим напряжением могут быть более подходящими для новых приложений микроэлектроники (например, по мере снижения требований к напряжению для компьютерных микросхем), устраняя необходимость в преобразовании постоянного тока в постоянный и более легко сочетающихся с электроникой сбора энергии. В настоящее время для питания некоторых дистанционных датчиков используются небольшие первичные батареи. По прогнозам, они потребуются от миллиардов до триллионов для питания устройств Интернета вещей (IoT), а для их замены потребуется значительная рабочая сила, часто из труднодоступных мест ¹³ . Можно ли производить новые перезаряжаемые батареи по достаточно низкой цене для различных, часто заказных приложений? Медицинские батареи могут позволить себе более высокую цену, что, возможно, позволит разработать батареи из других материалов, но здесь надежность и безопасность будут иметь первостепенное значение.

Авторы считают, что фундаментальная наука будет ключом к преодолению многих и разнообразных фундаментальных препятствий в пространстве «за пределами LIB». начального синтеза, к их стабильности в неравновесных и агрессивных средах — будь то температура или напряжение. Мы должны научиться управлять межфазными структурами — от SEI до интерфейсов между двумя компонентами в твердотельной батарее. Необходимы лучшие структурные модели этих интерфейсов, чтобы улучшить нашу способность вычислять соответствующие процессы с реалистичными вычислительными ресурсами и улучшить наше понимание того, как они функционируют. Идеи самовосстанавливающихся систем возникли в области полимеров и были предложены в качестве потенциальных механизмов безопасного отключения, но в будущем эти концепции должны быть воплощены в катодной и анодной химии. Мы должны продолжать разрабатывать новые методы, чтобы углубить наше понимание множества неравновесных процессов в батареях: с растущими требованиями к технологиям в сочетании с целями ZC, которые диктуют сокращение и более устойчивое использование энергии, потребность в фундаментальных и прикладных исследованиях важнее, чем когда-либо, и впереди еще много фундаментальных научных проблем.

Ссылки

Хоуп, М. и др. ЯМР литиевых дендритов с усилением ДНФ: селективное наблюдение границы раздела твердое тело-электролит. https://doi.org/10.26434/chemrxiv.10298438.v2 (2019 г.).
Jiang, M., Key, B., Meng, Y.S. & Grey, C.P. Электрохимическое и структурное исследование слоистого материала электрода литий-ионного аккумулятора с избытком Li[Li1/9Ni1/3Mn5/9] О2. Хим. Матер. 21 , 2733–2745 (2009).
Артикул КАС Google ученый
«>
Muto, S. et al. Механизмы снижения емкости литий-ионных аккумуляторов на основе LiNiO2 II. Диагностический анализ методами электронной микроскопии и спектроскопии. Дж. Электрохим. соц. 156 , A371–A377 (2009 г.).
Артикул КАС Google ученый
Jung, R., Metzger, M., Maglia, F., Stinner, C. & Gasteiger, H.A. Химическое и электрохимическое окисление электролита на NMC111, NMC622, NMC811, LNMO и проводящем углероде. J. Phys. хим. лат. 8 , 4820–4825 (2017).
Артикул КАС пабмед Google ученый
Ринкель, Б.Л.Д., Холл, Д.С., Темпрано, И. и Грей, С.П. Пути окисления электролита в литий-ионных батареях. Дж. Ам. хим. соц. 142 , 15058–15074 (2020).
Артикул КАС пабмед Google ученый
«>
Чен З., Ли Д.-Дж., Сун Ю.-К. и Амин, К. Усовершенствованные катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов. МИССИС Бык. 36 , 498–505 (2011).
Артикул Google ученый
Китада, К. и др. Раскрытие механизмов реакции SiO-анодов для литий-ионных аккумуляторов путем объединения in situ 7Li и ex situ твердотельной ЯМР-спектроскопии 7Li/29Si. Дж. Ам. хим. соц. 141 , 7014–7027 (2019 г.).
Артикул КАС пабмед Google ученый
Логан, Э. Р. и др. Электролиты на основе сложных эфиров для быстрой зарядки энергоемких литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. хим. C 124 , 12269–12280 (2020).
Артикул КАС Google ученый
Бородин О., Селф Дж., Перссон К.А., Ван К. и Сюй К. Неизведанные воды: сверхконцентрированные электролиты. Джоуль 4 , 69–100 (2020).
Артикул КАС Google ученый
Логан, Э. Р. и Дан, Дж. Р. Конструкция электролита для быстрой зарядки литий-ионных аккумуляторов. Тренды Хим. 2 , 354–366 (2020).
Артикул КАС Google ученый
Chen, H. et al. Карбонофосфаты: новое семейство катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов, идентифицированное компьютерным путем. Хим. Матер. 24 , 2009–2016 (2012).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый
Кононова О. и др. Текстовый набор данных рецептов синтеза неорганических материалов. Науч. Данные 6 , 203 (2019).
Артикул пабмед ПабМед Центральный Google ученый
«>
Myers, J. et al. Подпороговая подсистема ARM cortex-M0+ на 65-нм CMOS для приложений WSN с 14 доменами питания, 10T SRAM и встроенным регулятором напряжения. IEEE J. Твердотельные схемы 51 , 31–44 (2016).
Артикул Google ученый
Лин, Ф. и др. Реконструкция поверхности и химическая эволюция стехиометрических слоистых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Нац. коммун. 5 , 3529 (2014).
Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ пабмед Google ученый

Скачать ссылки

Информация об авторе

Авторы и организации

Химический факультет Кембриджского университета, Lensfield Road, Cambridge, CB2 1EW, UK
Clare P. Grey & David S. Becquer Hall Institution
9007 , Harwell Campus, Didcot, OX11 0RA, UK
Clare P. Grey & David S. Hall

Авторы

Clare P. Gray
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия
Дэвид С. Холл
Просмотр публикаций автора
Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Взносы

C.P.G. и Д.С.Х. вместе написали рукопись и подготовили рисунок.

Автор, ответственный за переписку

Клэр П. Грей.

Декларации этики

Конкурирующие интересы

C.P.G. является основным акционером CB2tech Limited, компании, разрабатывающей электроды для быстрой зарядки аккумуляторов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4. 0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате, при условии, что вы укажете соответствующую ссылку на оригинальный автор(ы) и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов

Скачать PDF

Ваша статья скачана

Карусель с тремя слайдами одновременно. Используйте кнопки «Назад» и «Далее» для перехода по трем слайдам за раз или кнопки с точками в конце для перехода по трем слайдам за раз.

Скачать PDF

Комментарий
Открытый доступ
Опубликовано: 19 мая 2020 г.

Цзин Се ¹ и
Йи-Чун Лу ORCID: orcid.org/0000-0003-1607-1615 ¹

Связь с природой том 11 , Номер статьи: 2499 (2020) Процитировать эту статью

42 тыс. обращений
293 Цитаты
50 Альтметрический
Сведения о показателях

Предметы

Батареи

Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена Джону Б. Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино за их вклад в разработку литий-ионных аккумуляторов — технологии, которая произвела революцию в нашем образе жизни. Здесь мы оглядываемся назад на важные открытия, которые сформировали современные литий-ионные батареи, чтобы найти вдохновляющие идеи для будущих прорывов.

Перезаряжаемые литий-ионные аккумуляторы изменили портативную электронику и стали предпочтительной технологией для электромобилей. Они также играют ключевую роль в обеспечении более глубокого проникновения прерывистых возобновляемых источников энергии в энергосистемы для обеспечения более устойчивого будущего. Современная литий-ионная батарея состоит из двух электродов, обычно катода из оксида лития-кобальта (LiCoO ₂) и графитового (C ₆) анода, разделенных пористым сепаратором, погруженным в неводный жидкий электролит с использованием LiPF 9.0015 6 в смеси этиленкарбоната (ЭК) и по меньшей мере одного линейного карбоната, выбранного из диметилкарбоната (ДМК), диэтилкарбоната (ДЭК), этилметилкарбоната (ЭМС) и многих добавок. Во время зарядки ионы лития перемещаются из структуры решетки LiCoO ₂ в сторону анода, образуя литированный графит (LiC ₆ ). Во время разрядки эти ионы возвращаются в каркас хозяина CoO ₂, а электроны высвобождаются во внешнюю цепь. Именно этот процесс перемещения или то, что называют химией кресла-качалки, произвел революцию в нашей современной жизни.

Открытие материалов

Анод

Металлический литий является самым легким металлом и обладает высокой удельной емкостью (3,86 Ач г ⁻ ¹ ) и чрезвычайно низким электродным потенциалом (−3,04 В по сравнению со стандартным водородным электродом), это идеальный анодный материал для высоковольтных и высокоэнергетических батарей. Однако электрохимический потенциал Li ⁺ /Li находится выше самой нижней незанятой молекулярной орбитали (НСМО) практически известных неводных электролитов, что приводит к непрерывному восстановлению электролита, если только не образуется пассивирующая поверхность твердого электролита (SEI) ¹ . SEI подвержен повреждению и неравномерно восстанавливается на поверхности металлического лития из-за большого изменения объема и высокой реакционной способности металлического лития, что приводит к росту дендритов, что может привести к короткому замыканию и возгоранию ячейки (рис. 1a).

Рис. 1: Важные открытия, сформировавшие современные литий-ионные аккумуляторы.

Разработка (a ) анодных материалов, включая металлический литий, нефтяной кокс и графит, (b ) электролитов с растворителем пропиленкарбонатом (PC), смесью этиленкарбоната (EC) и по крайней мере одним линейным карбонатом выбирают из диметилкарбоната (DMC), диэтилкарбоната (DEC), этилметилкарбоната (EMC) и многих добавок, ( c ) катодные материалы, включая материалы конверсионного типа, интеркаляционные материалы дисульфид титана (TiS ₂ ) и оксид лития-кобальта (LiCoO ₂ ).

Изображение полного размера

Чтобы избежать проблем с безопасностью металлического лития, Арман предложил сконструировать литий-ионные аккумуляторы с использованием двух разных промежуточных хостов ^2,3 . Безенхард сообщил о первом графитовом электроде на основе интеркаляции литий-иона, показав, что графит может интеркалировать несколько ионов щелочных металлов, включая ионы лития 9. 0007 4 . Графит интеркалирует ионы Li на основе слоистой структуры с наполовину заполненными орбиталями p _z, перпендикулярными плоскостям, которые могут взаимодействовать с орбиталями Li 2s, чтобы ограничить объемное расширение и рост дендритов. Однако удельная емкость графита (LiC ₆ , 0,372 Ач г ^–1 ) ¹ значительно меньше, чем у металлического лития. Так было до полного отзыва литий-металлических батарей компанией Moli Energy после нескольких пожаров, интеркаляционные материалы, такие как графит, все чаще рассматривались как жизнеспособный анод в гонке по замене металлического лития для повышения безопасности. В то время совместное внедрение электролита (пропиленкарбонат PC) приводило к расслаиванию и разрушению графита (рис. 1a), что создавало проблемы для его применения в аккумуляторной ячейке.

В 1985 году Акира Йошино ⁵ из Asahi Kasei Corporation обнаружил, что нефтяной кокс, менее графитированный углерод из остатков фракционирования нефти, может обратимо интеркалировать ионы лития при низком потенциале ~0,5 В по сравнению с Li ⁺. /Li без структурных разрушений. Его структурная стабильность обусловлена областями аморфного углерода в нефтяном коксе, которые служат ковалентными соединениями для соединения слоев вместе ⁶ (рис. 1a). Хотя аморфная природа нефтяного кокса ограничивает емкость по сравнению с графитом (~Li _0,5 C ₆ , 0,186 Ач g ^–1 ) ⁶ , он стал первым коммерческим интеркаляционным анодом для литий-ионных аккумуляторов благодаря его циклической стабильности.

Катод

Для обеспечения высокой емкости металлического лития сначала рассматривались катоды конверсионного типа, включающие фториды, сульфиды или оксиды металлов (рис. 1с). Во время работы батареи эти материалы вступают в реакцию с образованием фаз различной структуры и нового состава ⁶ . Следовательно, конверсионные электроды не допускают многократных циклов, поскольку во время каждого цикла происходит разрыв связи и восстановление.

Зная об ограничениях конверсионных реакций, ученые обратились к новым механизмам накопления ионов лития, которые не предполагают структурного разрушения во время циклирования. Халькогениды металлов (MX ₂) со слоистой структурой и доступным пространством для хранения литий-ионных гостевых систем привлекли внимание Уиттингема и его коллег из Exxon ⁷, которые показали, что дисульфид титана (TiS ₂) может химически интеркалировать Li-ион. ионов во всем стехиометрическом диапазоне с минимальным расширением решетки. В 1973 и 1974 г. Уиттингем применил TiS ₂ в качестве катода для батарей (рис. 1c) и впоследствии продемонстрировал элемент на 2,5 В в 1976 г. ⁸ .

По-видимому, низкое напряжение батареи TiS ₂ //Li свидетельствует об ограниченности ее плотности энергии. Стремясь найти новые катодные материалы, которые интеркалируют ионы лития при более высоких потенциалах, Гуденаф обратился к оксидным эквивалентам халькогенидов металлов (MX ₂, где X = O). Он отметил, что верхняя часть С-3п 9Полосы 0007 6 имеют более высокую энергию, чем полосы O-2p ⁶, что обуславливает более высокие потенциалы интеркаляции для оксидов металлов, чем для сульфидов металлов ⁹ (рис. 1в). Более высокая энергия полос S-3p ⁶ в сульфидах металлов объясняется меньшей электростатической энергией Маделунга (больший сульфид-ион) и большей энергией, необходимой для переноса электрона от катиона (M ⁿ⁺ ) к S ^{. –} /S ^2– при бесконечном расстоянии ⁹ .

Это базовое понимание привело к открытию трех классов оксидных катодов Гуденафом и его сотрудниками ¹⁰ . В 1979 и 1980 годах Гуденаф сообщил об оксиде лития-кобальта (LiCoO ₂ ) ¹¹, который может обратимо поглощать и высвобождать ионы лития при потенциалах выше 4,0 В по сравнению с Li ⁺ / Li и позволяет использовать перезаряжаемую батарею на 4,0 В. в сочетании с литий-металлическим анодом. Однако количество кобальта ограничено, что создает ценовой барьер для его применения. Шпинель LiMn ₂ O ₄ ¹² с тетраэдрическими ионами лития обеспечивает окислительно-восстановительный потенциал ~4,0 В по сравнению с Li ⁺/Li при сниженной стоимости. Однако он ограничен проблемами деградации из-за растворения Mn в присутствии ионов H ⁺ (уровень ppm) в электролите. Оксид полианиона Li _x Fe ₂ ( X O ₄ ) ₃ ( X = S, Mo, W и т. д.) ^{13,14 900 обеспечивает более высокое напряжение по сравнению с простыми оксидными элементами. такие как Fe ₂ O ₃ /Fe ₃ O _4. Ковалентная связь X -O в оксиде полианиона ослабляет ковалентность связи Fe-O за счет индукционного эффекта, что приводит к снижению окислительно-восстановительной энергии Fe ^2+/3+ пара и, следовательно, увеличение окислительно-восстановительного потенциала (например, с <2,5 В в Fe ₂ O ₃ до 3,6 В в Li _x Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ). Оксид полианиона обеспечивает преимущества снижения стоимости благодаря большому количеству переходных металлов, таких как Fe, и улучшенную термическую стабильность и безопасность благодаря прочной ковалентной связи кислорода. Однако он страдает от плохой электронной проводимости и более низкой плотности. Среди трех классов оксидов предпочтительными катодами до сих пор остаются слоистые оксиды с высокой гравиметрической и объемной плотностью энергии 9 .0007 10} , а электрод LiCoO ₂ в настоящее время является доминирующим катодным материалом, который питает большинство персональных электронных устройств.

Электролит

Рабочее окно электролита определяется его НСМО и высшей занятой молекулярной орбиталью (ВЗМО), которая должна быть выше электрохимического потенциала анода ( μ _a ) и ниже электрохимического потенциала катод ( μ _c ), соответственно (LUMO > μ _a , ВЗМО < μ _c ). В качестве альтернативы следует создать стабильный пассивирующий слой SEI на аноде или катоде в случае LUMO < μ _a или HOMO > μ _c соответственно ¹ .

Создание стабильного SEI путем подбора состава электролита сделало возможным практическое применение графитового анода. Первоначально ПК был предпочтительнее этиленкарбоната (ЭК) из-за его более низкой температуры плавления (-48,8 ^o C) по сравнению с EC (36,4 ^o C) ⁶ . Однако сообщалось, что ПК вызывает структурные повреждения графита, что приводит к снижению срока службы. Исследователи Sanyo ^6,15 заявили об успешном электрохимическом литировании графита в электролитах на основе ЭК, а Dahn ¹⁶ сообщил, что ЭК может подавлять расслоение графита из-за образования жертвенного SEI, прокладывая путь к разработке графитового анода для Литий-ионные аккумуляторы (рис. 1б). С тех пор EC стал незаменимым растворителем для литий-ионных аккумуляторов. Потенциальные механизмы, лежащие в основе «несоответствия EC − PC» ¹⁷ объясняются различиями между продуктами их восстановления. Изогнутая цепная структура пропилендекарбоната лития (восстановительный продукт поликарбоната) склонна к образованию рыхлых отложений с плохим сцеплением на поверхности электрода. ЭК имеет тенденцию образовывать графитовое интеркаляционное соединение с более высоким содержанием анионов (например, PF ₆ ^—) в сольватной оболочке Li ⁺, чем ПК, что приводит к более высокому F-содержащему продукту SEI, чей энергетический разрыв между LUMO и HOMO велик. достаточно, чтобы изолировать туннелирование электронов от анода, обеспечивая эффективную пассивацию разложения электролита.

Полноэлементные литий-ионные батареи

Корпорация Asahi Kasei собрала полностью перезаряжаемую батарею, сочетающую в себе анод из нефтяного кокса и катод из LiCoO ₂ Goodenough, который позже был выпущен на рынок Sony в 1990 году (~80 Втч кг ^–1, 200 Втч л ^–1 ) (рис. 1). Открытие исследователей Sanyo ^6,15 и работа Дана ¹⁶ с ЭК в качестве сорастворителя проложили путь к разработке литий-ионных аккумуляторов с графитовым анодом и увеличили напряжение и плотность энергии до 4,2 В и 400 Втч. Л ^–1 соответственно. В 1993 г. Guyomard и Tarascon ¹⁸ сообщили о новом составе электролита LiPF ₆ в EC/DMC с улучшенной устойчивостью к окислению (рис. 1b). Этот электролит до сих пор остается одним из популярных электролитов, обеспечивая литий-ионные аккумуляторы на основе LiCoO ₂ в три раза более высокой плотностью энергии (250 Втч кг ^–1 , 600 Втч л ^–1 ), чем у первых. устройства поколения Sony ³ .

Сводка

Ни одно из этих выдающихся открытий не появилось из воздуха. Успех на более позднем этапе обычно основывается на предыдущих знаниях и прогрессе. Явление, заключающееся в том, что TiS ₂ может содержать литий-ионы, наблюдал Вальтер Рюдорф еще в 1965 г. ¹⁹ , но этот слоистый дисульфид не применялся в качестве катода в литиевых батареях до 1973 г. Уиттингема ⁷ . Прекращение усилий по созданию TiS ₂ //Li вдохновило Гудэнаф на поиск слоистых оксидов для разработки катодов с более высоким электродным потенциалом. Точно так же сообщалось, что графит интеркалирует ионы лития в 19 веке.70s ⁴ , но это было непрактично до тех пор, пока исследователи Sanyo ^6,15 и Dahn ¹⁶ не представили сорастворитель EC. Этот шаг был основан на глубоком понимании механизмов деградации. Размышления о том, как родились эти прорывы, учат критической важности механистического понимания и междисциплинарных исследований.

Использование металлического литиевого анода было естественным выбором в сообществе в период с 1970-х по 1980-е годы из-за его преимущества в высокой энергии, несмотря на его высокую реактивность и проблемы с дендритами. Призыв к использованию различных интеркаляционных материалов для катода и анода от Armand ^2,3 или замена металлического лития нефтяным коксом на Yoshino ⁵ , хотя, казалось бы, расходятся с поиском аккумуляторов высокой энергии, оказались необходимыми шагами на пути к коммерциализации перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов. Эти разработки побуждают нас быть непредубежденными и осмелиться бросить вызов существующему мнению о прорывных инновациях в конструкциях аккумуляторов.

Влияние литий-ионных аккумуляторов не только на портативную электронику, но и на области, имеющие значение для устойчивого развития общества. Чтобы удовлетворить постоянно растущий спрос на электрифицированный транспорт и крупномасштабные решения для хранения энергии, постоянные открытия материалов и революционная химия являются ключом к раскрытию всего потенциала литий-ионных аккумуляторов для значительного повышения экономической эффективности, мощности и плотности энергии. и безопасность.