Аккумуляторы LFP характеризуются хорошей цикличностью, однако их скоростные характеристики существенно хуже, чем у тройных литиевых аккумуляторов. Таким образом, улучшения производительности аккумуляторов LFP можно добиться, сосредоточив внимание как на сырье, так и на разработке рецептуры.
I. Узкие места в производительности литий-железо-фосфата
Литий-железо-фосфат (LiFePO₄, LFP), как один из наиболее широко используемых катодных материалов, страдает от плохих скоростных характеристик из-за двух основных факторов: во-первых, прерывистая сетка FeO₆ в структуре оливина приводит к низкой электронной проводимости (приблизительно 10⁻⁹~10⁻¹⁰ См/см); во-вторых, узкие одномерные каналы диффузии Li⁺ приводят к медленной скорости диффузии ионов лития- (приблизительно 10⁻¹⁴~10⁻¹⁶ см²/с). Проще говоря, во время быстрой-зарядки и разрядки эффективность транспорта электронов и ионов лития-не может соответствовать текущим потребностям, что приводит к усилению поляризации и значительному падению емкости.
Ниже описываются стратегии улучшения материалов, электродов и электролитов до общей системы проектирования.
II. Основные стратегии улучшения
1. Модификация катодного материала:
(1) Наноструктурирование – сокращение дальности передачи:
Уменьшение размера частиц LFP до наномасштаба может значительно сократить путь диффузии Li⁺ в твердой фазе, уменьшая время зарядки и разрядки. Пористые микросферы LFP (собранные из наночастиц) сочетают в себе высокую производительность и высокую объемную плотность энергии, что делает их предпочтительным направлением, сочетающим в себе практичность и производительность. Однако следует отметить, что чистые наноматериалы имеют низкую плотность уплотнения и обычно должны быть дополнены более крупными частицами, чтобы сбалансировать скоростные характеристики и объемную плотность энергии.
(2) Углеродное покрытие – открытие электронных каналов
Равномерное покрытие поверхности частиц LFP проводящим углеродным слоем является наиболее коммерчески зрелым методом модификации. Углеродный слой может увеличить удельную поверхность частиц, уменьшить расстояние миграции Li⁺ и одновременно построить проводящую сеть. Внедрение современных углеродных материалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ) и графен, позволяет создать высокоэффективную проводящую сеть с трехмерной точки зрения «точка-линия-поверхность», что еще больше повышает производительность. Последний патент Wanrun New Energy снижает удельное сопротивление порошка и выщелачивание железа за счет введения карбида железа (0,7–3,1% по массе) в слой покрытия, обеспечивая одновременное улучшение производительности, циклических характеристик и производительности.
(3) Ионное легирование – ускорение изнутри решетки.
Легирование Na⁺ в узлах Li может вызвать расширение решетки и расширить диффузионные каналы Li⁺; легирование Ti⁴⁺ в узлах Fe может улучшить стабильность решетки и обратимую емкость. Исследовательская группа Лю Вэньяна из Технологического университета Чунцина применила синергетическое легирование Na-Ti к LFP с углеродным-покрытием, добившись 100% сохранения емкости и кулоновского КПД 99,54% после 1000 циклов при высокой скорости 5C, продемонстрировав чрезвычайно превосходную долгосрочную-циклическую стабильность при высокой-скоростной цикличности. Недавно утвержденный патент Хунань Юнэна на «Много-модификацию источника углерода» также позволяет достичь улучшенных показателей производительности и циклической стабильности за счет силоксановой прививки металлоорганического каркаса, синергической модификации нитрата кобальта и нитрата меди.
2. Усовершенствованный процесс спекания: решение дилеммы термообработки
Карботермический синтез LFP обычно проводят при температуре 600-800 градусов. При этой температуре образующийся углеродный слой имеет низкую кристалличность, а его проводимость недостаточна для требований быстрой зарядки. Однако повышение температуры приводит к укрупнению зерна, что отрицательно влияет на производительность. Команда под руководством Чжан Минцзяна из Китайского университета Гонконга (Шэньчжэнь) в сотрудничестве с Li Auto разработала стратегию сверхбыстрого спекания: выдержка коммерческого LFP при 1000 градусах всего около 10 секунд с последующим быстрым охлаждением, одновременно улучшая кристалличность поверхностного слоя углерода (уменьшая дефекты C-O) и объемную диффузионную способность ионов лития- (удваивая содержание антисайтов Fe/Li), сохраняя при этом наноразмерное зерно. размер. Модифицированный LFP демонстрирует улучшение производительности более чем на 25% при снижении емкости всего на 9,8% после 5000 циклов быстрой зарядки. Этот метод требует лишь простой модификации стандартной трубчатой печи для достижения килограммового масштаба-масштабирования-, обеспечивая недорогой-путь «модернизации постобработки» коммерческих материалов.
3. Оптимизация проводящего агента: построение трехмерной проводящей сети.
Различные проводящие агенты играют в электроде разные роли: проводящая сажа (SP) создает точечные-подобные-соединения ближнего действия, углеродные нанотрубки (УНТ) создают линейные соединения среднего-диапазона, а графен (GN) создает плоские соединения-дальнего радиуса действия. При совместном использовании они образуют трехмерную-синергетическую проводящую сеть "точечной-линейной-планарной", что значительно снижает сопротивление электродов и повышает скорость работы батареи и производительность цикла. Было подтверждено, что тройные композитные проводящие агенты (углеродная сажа + УНТ + графен) оказывают лучший эффект улучшения кинетических характеристик в литий-железо-фосфатных батареях.
4. Оптимизация электролита: синергетическое ускорение жидкой-фазы
Электролит — это жидкая-фазовая среда, через которую Li⁺ мигрирует между положительным и отрицательным электродами. Оптимизация электролита является неотъемлемой частью улучшения скоростных показателей. Направления оптимизации включают в себя:
Lithium Salt Selection: LiFSI (lithium bisfluorosulfonylimide) has good thermal stability (>200 градусов) и высокая ионная проводимость. Сочетание его с LiPF₆ (например, в соотношении 3:1) может сбалансировать стоимость и производительность. Система растворителей: растворители с низкой-вязкостью (такие как ДМЭ, МА) могут ускорять перенос Li⁺, но необходимо учитывать безопасность; добавление FEC (5–10%) может улучшить прочность пленки SEI и подавить образование дендритов лития.
Функциональные добавки: ВК (этиленкарбонат, 1–2%) может образовывать плотную пленку SEI и снижать межфазный импеданс; комбинация LiNO₃ и LiFSI может образовывать стабильный слой SEI, содержащий Li₃N-, на отрицательном электроде. При использовании оптимизированного электролита (этиленкарбонат + диметилкарбонат + этилметилкарбонат в качестве растворителей, VC, 1,3-PS, FEC и ацетонитрила в качестве добавок) степень сохранения емкости достигает 95,6% после 900 циклов зарядки-разрядки 3C и 87% после 1000 циклов 6C, что значительно улучшает характеристики циклического цикла.
5. Проектирование структуры электрода: градиентная пористость, развязывающая ионный транспорт
В традиционных однослойных толстых электродах активный материал вблизи токосъемника с трудом участвует в реакции из-за слишком длинного пути переноса ионов. При использовании технологии двух-слойного покрытия порообразующий агент-(такой как бикарбонат аммония) вводится в покрытие электрода, расположенное вдали от токосъемника, создавая градиентную пористую структуру с постепенным увеличением пористости от токосъемника к поверхности электрода. Эксперименты показывают, что электрод с двухслойными -слоями с градиентными порами (77,3 мкм) по-прежнему сохраняет удельную разрядную емкость 40 мАч/г при скорости 5C при комнатной температуре, в то время как однослойный электрод с той же поверхностной плотностью имеет удельную разрядную емкость 5C, равную 0. Структура с градиентными порами способствует достаточному смачиванию электролитом и быстрому транспорту ионов внутри толстого электрода, в то время как высокая плотность уплотнения (более или равна 2,6) г/см³) помогает снизить внутреннее сопротивление и еще больше повысить производительность.
О нас
Эйси Интеллектуальныйспециализируется на исследованиях, разработках и производстве высококачественного-литий-ионного аккумуляторного оборудования. Мы предлагаем интегрированные-универсальные решения как для линий по производству аккумуляторных элементов (цилиндрических, монетных и пакетных), так и для линий сборки аккумуляторных блоков. Новичкам в отрасли литий-ионных-батарей, желающим создать собственные линии по сборке элементов или аккумуляторов, мы предоставляем профессиональную техническую поддержку и рекомендации. Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.