リチウムイオン電池へのナノテクノロジーの応用

リチウムイオン電池へのナノテクノロジーの応用

2020年02月25日

リチウムイオン電池は、高効率エネルギー貯蔵部品として、家電の分野で広く使用されている。リチウムイオン電池は、携帯電話やラップトップに使用されています。リチウムイオン電池は、その超高エネルギー貯蔵密度のおかげで、このような素晴らしい結果を達成しています。そして、良好な安全性能。技術の継続的な発展に伴い、リチウムイオン電池のエネルギー密度と電力密度も継続的に改善されており、その中でナノテクノロジーは消えることのない貢献をしています。LiFePO4は導電性が低いため、導電性を向上させるためにナノ粒子に調製し、LiFePO4の電気化学的性能を大幅に向上させました。さらに、シリコン負極もナノテクノロジーの受益者である。ナノシリコン粒子は、リチウムインターカレーション中のSiの体積膨張を良好に抑制し、Si材料のサイクル性能を向上させることができる。

正極材料
1.リフェPO4材料
LiFePO4材料は、良好な熱安定性および低コストを有する。LiFePO4材料内部のユニークな共有結合構造のために、LFP材料の電子伝導性は非常に低く、その高レート充放電性能を制限する。この目的のために、LFP材料はナノ粒子に作られ、導電性材料、導電性ポリマー、金属などの材料でコーティングされる。また、ナノLFP粒子に非化学量論的固溶体ドーピング法を組み込むことにより、LFPナノ粒子の電子伝導度を108だけ高めることができ、LFP材料を3分以内に充放電することができる。これは電気自動車にとって特に重要です。

2.LiMn2O4材料分解の抑制
LMO材料は、3次元Li+拡散チャネルを有するため、高いイオン拡散係数を有する。しかし、Mn3+は低SoC状態で形成される。ジョン・テラー効果が存在するため、LMO構造は不安定である。Mn元素の一部は電解質に溶解し、最終的に負極の表面に堆積し、SEI膜の構造を破壊する。いくつかの低コストの主族金属イオンをLMOに添加してMnの一部を置き換えることができ、それによってMn元素の価数状態が増加し、低SoCでMn3 +が減少する。LMO材料粒子の表面は、厚さ10〜20nmの酸化物およびフッ化物の層で被覆することもできる。

3. NMCの化学活性を阻害する
NMC材料、特に高ニッケルNMC材料の比容量は、200mAh/g以上と高くすることができ、非常に良好なサイクル性能を有する。しかしながら、NMC材料は、充電状態において電解液の酸化を極めて受けやすい。ニッケルNMC材料と電解質との反応性を高めるために、材料粒子と電解質との直接接触を避けるために、材料をナノ粒子で被覆する。材料のサイクル寿命を大幅に改善しました。また、コアシェル構造を有するナノ粒子も反応性を低下させる有効な方法である。高Mnシェルは安定性が良好であるが、容量は低く、高いニッケルコア容量は高いが反応性は大きい。

負極材料
1.グラファイト材料保護
黒鉛材料はリチウム挿入電圧が低く、リチウムイオン電池の負極材料として非常に適している。リチウムドープグラファイトは反応性が強く、有機電解質と反応してグラファイトシートが脱落し、電解質が分解します。SEI膜は電解液の分解を抑制できるが、SEI膜はグラファイト負極に対して100%耐性があるわけではない。フォーム保護。一般的なグラファイト表面保護方法には、表面酸化およびナノコーティング技術が含まれる。

ナノコーティング技術には、アモルファスカーボン、金属、金属酸化物の3つのカテゴリがあります。中でも、非晶質炭素は、主に真空化学蒸着CVD法によって得られ、低コストであり、大規模生産に適している。金属および金属酸化物ナノコーティングは、主に湿式化学的方法によって得られ、グラファイトを良好に保護し、電解質分解を防止することができる。

2.チタン酸リチウムLTOおよびTiO2材料のレート性能を向上させる
LTO材料は安全性が高く、Liの挿入および脱離中に応力が発生しず、リチウムの挿入電位が高く、電解質の分解を引き起こさない。それは非常に優れた負極材料です。しかしながら、LTO材料は比容量が低く、電子伝導性およびイオン伝導性が低い。現在、ナノテクノロジーは、主に粒子ナノテクノロジー、ナノコーティング技術、LTOナノ材料と導電性材料複合アプリケーションをLTO上で使用しています。LTO材料ナノ化は、Li +の拡散距離を効果的に減少させ、電解質との接触面積を増加させ、電荷交換を強化し、レート性能を向上させることができる。

3.シリコンアノードのエネルギー密度を高める
Si材料の理論比容量は3572mAh/gに達し、これはグラファイト材料のそれよりもはるかに高い。しかしながら、Siは、リチウムインターカレーションおよび脱リチウム化の過程で300%の体積膨張を有し、粒子破損および活物質脱落をもたらす。Si材料は、Si粒子の膨張によって引き起こされる機械的応力を緩和するためにナノ粒子化される。

Li-S電池は、エネルギー密度が高く、低コストであり、次世代のエネルギー貯蔵電池として非常に有望です。しかし、Li-S電池が現在直面している主な問題は、Sの導電率の低さとリチウムインターカレーション生成物の溶解の問題である。Sと多孔質中空炭素または金属酸化物ナノ粒子とを配合することにより、Sの安定性を著しく向上させ、電極のサイクル性能を向上させることができる。さらに、Sとグラフェン材料の配合はまた、S負極のサイクル性能を著しく改善することができる。