No centro das baterias está uma multiplicidade de materiais, cada um com as suas características e finalidades distintas. Material da bateria desempenha um papel importante no desenvolvimento da bateria. A maioria dos fornecedor de bess de topo tentam desenvolver a densidade energética das suas baterias através do material da bateria.
Neste artigo, vamos explorar os pormenores do material das pilhas. Ao longo do artigo, falaremos também sobre o potencial que o material das pilhas tem para o futuro.
O que é que os materiais das pilhas incluem?
A composição de uma bateria é um processo complexo e delicado. Quando falamos de material de bateria, existem 4 materiais principais numa bateria: material de elétrodo positivo, material de elétrodo negativo, eletrólito e separador.
Tomar uma bateria de iões de lítio Como exemplo, o material do elétrodo positivo é responsável pela libertação dos iões de lítio durante o processo de descarga, enquanto o material do elétrodo negativo é responsável pelo armazenamento destes iões durante o processo de carga. Os electrólitos desempenham um papel crucial, uma vez que fornecem o meio através do qual os iões de lítio se movem entre os eléctrodos e, por último, os separadores são cruciais, uma vez que impedem o contacto físico entre os eléctrodos, permitindo a passagem dos iões.
No entanto, todos os materiais para baterias têm os seus próprios desafios únicos, uma vez que todos enfrentam certas limitações de desenvolvimento. Estas limitações podem dever-se a factores como limitações na disponibilidade de matérias-primas, desafios no processo de produção ou mesmo devido às propriedades químicas inerentes a estes materiais.
Análise dos parâmetros do material da bateria
No que diz respeito aos materiais das pilhas e aos seus parâmetros relacionados, eis alguns materiais comuns e descrições pormenorizadas dos seus parâmetros característicos:
| Materiais para eléctrodos positivos | Tensão de funcionamento típica | Capacidade específica | Ciclo de vida |
|---|---|---|---|
| Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) | 3.6-3.7V | 140-160 mAh/g | normalmente várias centenas de ciclos |
| Óxido de lítio-níquel-manganês (LiNiMnCoO2) | 3.6-4.2V | 200 mAh/g | até vários milhares de ciclos |
| Fosfato de lítio e ferro (LiFePO4) | 3.2-3.3V | 160 mAh/g | normalmente vários milhares de ciclos |
| Materiais para eléctrodos negativos | normalmente várias centenas de ciclos | Ciclo de vida |
|---|---|---|
| Grafite | 350-365 mAh/g | normalmente várias centenas de ciclos |
| Lítio metálico | 3860 mAh/g | propensos a problemas de segurança e com vida útil limitada |
| Silício | 3000-4200 mAh/g | limitado pela expansão do volume, o ciclo de vida é curto |
| Electrólitos | Condutividade iónica | Temperatura de combustão (estabilidade térmica) |
|---|---|---|
| Eletrólito líquido (solução orgânica) | tipicamente 10^-3 - 10^-2 S/cm | tem de ser superior à temperatura de funcionamento da bateria |
| Electrólitos sólidos (óxidos cerâmicos, polímeros) | tipicamente 10^-4 - 10^-2 S/cm | mantém normalmente uma boa estabilidade a temperaturas elevadas |
É de notar que o parâmetro caraterístico do material da bateria pode variar devido aos métodos de preparação, pureza, conteúdo e outros factores. Além disso, os diferentes tipos de pilhas (como as pilhas de iões de lítio e as pilhas de níquel-hidreto metálico), bem como os diferentes fabricantes e linhas de produtos, podem também apresentar ligeiras diferenças nas combinações e parâmetros dos materiais. Por conseguinte, em aplicações práticas, factores como desempenho da bateriaPara selecionar o material mais adequado, é necessário considerar exaustivamente os custos, a segurança e a sustentabilidade.
Impacto do material das pilhas nas pilhas
Materiais para eléctrodos positivos
Os materiais do elétrodo positivo representam 20%-30% do custo de produção das baterias de lítio e são um fator importante na determinação do desempenho das baterias de lítio. As suas principais vias técnicas incluem o óxido de lítio-cobalto, o manganato de lítio, o fosfato de ferro-lítio, os materiais ternários, etc.
Com a mudança de tecnologia, os produtos ternários de alto níquel com vantagens de densidade energética e o fosfato de lítio e ferro manganês com vantagens económicas e de segurança são as principais direcções de desenvolvimento. O fosfato de lítio-ferro-manganês não pode realmente resolver o problema da melhoria da densidade energética porque é mais um substituto dos materiais ternários com baixo teor de níquel e dos materiais de fosfato de lítio-ferro. Os materiais ternários com alto teor de níquel continuam a ser o limite máximo para a densidade energética dos materiais catódicos.
Material do elétrodo negativo
Enquanto transportador de iões de lítio e electrões, o material do elétrodo negativo é o principal responsável pelo armazenamento e libertação de energia, o que pode afetar diretamente a densidade energética, ciclo de vida da bateriaO ânodo é um material de alta qualidade, que pode ser utilizado para a produção de pilhas de iões de lítio, segurança, capacidade de carregamento rápido e outras propriedades da pilha. Atualmente, o principal material do ânodo é a grafite artificial, que representa cerca de 10%-15% do custo das baterias de iões de lítio.
No entanto, do ponto de vista da aplicação, a capacidade específica real do material de ânodo de grafite atingiu agora 360-365mAh/g, aproximando-se do limite teórico de 372mAh/g. O que limita o desenvolvimento industrial. A indústria acredita geralmente que os materiais de ânodo de silício-carbono com elevada capacidade específica (capacidade específica de silício até 4200mAh/g, 10-12 vezes superior à dos materiais de grafite) tornar-se-ão a direção de desenvolvimento dos materiais de ânodo no futuro.
Eletrólito
O eletrólito tem uma grande influência no desempenho global das baterias de lítio, como o desempenho a altas e baixas temperaturas, o desempenho da taxa e o desempenho da segurança. A fórmula do eletrólito é também uma direção de investigação importante. O eletrólito é constituído por solvente, sal de lítio e eletrólito.
Os componentes mais importantes são o sal de lítio e os aditivos, com quantidades de adição de aproximadamente 12% e 8%, respetivamente. A imida de bisfluorossulfonilo de lítio (LIFSI) é atualmente utilizada como aditivo em electrólitos (a quantidade adicionada é de cerca de 0,5%-1%) e tem atraído uma atenção generalizada devido ao seu potencial como aplicação principal do sal de lítio no futuro. Embora as vantagens sejam óbvias, a taxa de expansão dos materiais de silício pode facilmente afetar a eficiência da primeira carga e a vida útil da bateria, restringindo a sua aplicação comercial em eléctrodos negativos.
Separador
O separador de baterias de lítio é uma película com uma estrutura microporosa. É o componente interno chave com mais barreiras técnicas na cadeia da indústria de baterias de iões de lítio. É também o último elo de ligação para alcançar a produção nacional. É responsável por cerca de 10% do custo das baterias eléctricas - 20%.
O separador está localizado entre os eléctrodos positivo e negativo da bateria de lítio. A sua principal função é separar os materiais activos positivos e negativos e evitar que os dois pólos entrem em curto-circuito devido ao contacto. Além disso, durante a reação eletroquímica, o separador pode também manter o eletrólito necessário para formar um caminho para o movimento dos iões. corredor.
O desenvolvimento futuro do material das pilhas
O desenvolvimento futuro dos materiais para baterias é um domínio dinâmico e em evolução, impulsionado pela procura de materiais mais eficientes, seguros e sustentáveis. solução de armazenamento de energia. Aqui estão várias perspectivas importantes sobre o desenvolvimento futuro de materiais de bateria：
Avanços nos materiais catódicos:
A investigação em curso visa desenvolver materiais catódicos com maior densidade energética, capacidades de carregamento mais rápidas e menor dependência de elementos escassos ou ambientalmente difíceis, como o cobalto. Estão a ser explorados materiais como o fosfato de lítio e ferro (LFP), o óxido de lítio e níquel (LiNiO2) e composições avançadas de NMC.
Inovações em materiais para ânodos:
Os ânodos de silício, com a sua elevada capacidade teórica, são um foco de investigação, embora seja necessário resolver os desafios relacionados com a expansão do volume durante o ciclo. Os ânodos de lítio metálico, se desenvolvidos com êxito, poderiam aumentar significativamente a densidade energética.
Melhoria dos electrólitos:
Está em curso o desenvolvimento de electrólitos avançados, incluindo electrólitos de estado sólido, electrólitos poliméricos e aditivos para electrólitos. Os electrólitos avançados podem contribuir para uma maior segurança, intervalos de temperatura mais amplos e melhor desempenho em várias condições.
É provável que o futuro desenvolvimento de materiais para baterias seja moldado por uma combinação de factores, incluindo avanços na ciência dos materiais, considerações de sustentabilidade e a evolução das exigências de várias aplicações.
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