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は、高効率のエネルギー貯蔵コンポーネントとして、家電製品の分野で広く使用されています。リチウムイオン電池は、携帯電話やノートパソコン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ました。そして、優れた安全性能。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、人々はそれをナノ粒子に調製し、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す。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の体積膨張を十分に抑制し、Si材料のサイクル性能を向上させることができます。

カソード材料
1.LiFePO4素材
LiFePO4材料は、優れた熱安定性と低コストを備えています。LiFePO4材料内部の独自の共有結合構造により、LFP材料の電子伝導率は非常に低く、その高率の充電および放電性能が制限されます。この目的のために、LFP材料はナノ粒子にされ、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ます。また、ナノLFP粒子にノン化学量論的固溶体ドーピング法を組み込むことで、LFPナノ粒子の電子伝導性を108増加させることができ、LFP材料を3分以内に充放電することができます。これは、電気自動車にとって特に重要です。

2.LiMn2O4材料の分解を抑制します
LMO材料は3次元のLi+拡散チャネルを持つため、イオン拡散係数が高くなります。しかし、Mn3+は低SoC状態で形成されます。ジョン・テラー効果が存在するため、LMOの構造は不安定です。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するため、SEI膜の構造が破壊されます。一部の低コストの主族金属イオンをLMOに追加してMnの一部を置き換えることができるため、Mn元素の原子価状態が増加し、低SoCでMn3+が減少します。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コーティングすることもできます。

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以上にもなることができ、非常に優れたサイクル性能を備えています。しかし、NMC材料は、帯電した状態での電解質の酸化に非常に敏感です。高ニッケルNMC材料と電解質の反応性を抑制するために、材料粒子と電解質が直接接触しないように、材料にナノ粒子をコーティングしています。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す。高Mnシェルは安定性は良好ですが、容量は低く、ニッケルコア容量が高いですが、反応性は大きいです。

アノード材料
1.グラファイト材料保護
グラファイト材料はリチウム挿入電圧が低いため、リチウムイオン電池の負極材料として非常に適しています。リチウムドープされた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ますが、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ありません。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ます。

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つのカテゴリーがあります。その中でも、アモルファスカーボンは主に真空化学堆積CVD法によって得られるため、低コストで大規模生産に適しています。金属および金属酸化物ナノコーティングは、主に湿式化学法によって得られ、グラファイトをしっかりと保護し、電解質の分解を防ぐことができます。

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のインターカレーションとデインターカレーション中に応力が発生しず、リチウムのインターカレーション電位が高いため、電解液が分解することはありません。非常に優れた負極材です。ただし、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くなっています。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ナノ材料およびLTO上の導電性材料複合アプリケーションを使用しています。LTO材料のナノ化は、Li +の拡散距離を効果的に短縮し、電解質との接触面積を増やし、電荷交換を強化し、レート性能を向上させることができます。

3.シリコンアノードのエネルギー密度を高めます
Si材料の理論上の比容量は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です。ただし、Siはリチウムの挿入および脱リチウム化の過程で300%の体積膨張を示し、粒子の破損と活物質の脱落を引き起こします。Si材料は、Si粒子の膨張によって引き起こされる機械的ストレスを緩和するためにナノ粒子にされます。

Li-S電池は、エネルギー密度が高く、低コストであり、非常に有望な次世代エネルギー貯蔵電池です。ただし、Li-Sバッテリーが現在直面している主な問題は、Sの導電率が低いこと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す。多孔質の中空炭素または金属酸化物ナノ粒子とSを配合することにより、Sの安定性を大幅に向上させ、電極のサイクル性能を向上させることができます。さらに、S材料とグラフェン材料の配合により、S負極のサイクル性能も大幅に向上させることができます。