Il salto delle prestazioni delle celle a batteria al litio ha sempre fatto affidamento su scoperte continue nella tecnologia dei materiali. L'innovazione nei materiali di elettrodi positivi, i materiali degli elettrodi negativi, i separatori ed elettroliti da parte della ricerca scientifica globale e l'industria sta guidando l'evoluzione delle celle della batteria verso una maggiore densità di energia, una durata del ciclo più lunga e una migliore sicurezza. Questa innovazione per materiale a catena completa fornisce la forza trainante per i nuovi veicoli energetici, lo stoccaggio di energia e altri campi.
1 materiale elettrodo positivo: bilanciamento dell'alta capacità e stabilità
La rotta "High Nickel Ternary" della Cina continua a sfondare. Il materiale elettrodo positivo NCM911 (con un contenuto di nichel del 90%) sviluppato da una determinata impresa ha una capacità specifica di 220 mAh/g, che è superiore del 10% rispetto a NCM811, e la densità di energia della cella della batteria supera 800Wh/L. Attraverso il processo "monocristallino+rivestimento": le particelle secondarie vengono suddivise in singoli cristalli (dimensione delle particelle 3 μ m) e la superficie è rivestita con un film sottile Lipo3 (spessore 2nm). Dopo 500 cicli, il tasso di ritenzione della capacità raggiunge il 90%, risolvendo il problema del collasso strutturale in materiali ad alto nichel. In una batteria alta del veicolo elettrico --, questo materiale consente una gamma di oltre 1000 chilometri.
L'innovazione di catodi liberi da cobalto negli Stati Uniti riduce i costi. L'elettrodo positivo del fosfato di ferro del manganese litio (LMFP) sviluppato da Tesla ha aumentato la sua capacità specifica da 170 mAH/g di LFP a 190 mAH/g mediante drogaggio con elemento di manganese (contenuto del 20%), aumentando la piattaforma di tensione di 0,2 V. Il processo "liquido - sintesi di fase" riduce i costi materiali del 30% rispetto a NCM e non contiene elemento cobalto (per evitare rischi di risorse). I test hanno dimostrato che le celle che utilizzano LMFP hanno un tasso di ritenzione della capacità dell'85% a - 20 gradi, che è del 15% superiore a LFP e adatto per scenari a bassa temperatura.
2 Materiale elettrodo negativo: l'arrivo del silicio - basato sull'epoca
La svolta commerciale del Giappone in "compositi di carbonio al silicio". L'elettrodo negativo al carbonio di silicio sviluppato da Panasonic (con un contenuto di silicio del 20%) ha una capacità specifica di 600 mAh/g, che è 1,5 volte quello degli elettrodi negativi di grafite e aumenta la densità di energia delle celle della batteria del 20%. Attraverso la progettazione di "particelle di silicio nano+rivestimento in carbonio": la dimensione delle particelle di silicio è controllata a 50 nm (per evitare l'espansione del volume e la frammentazione) e la superficie è rivestita con uno strato di carbonio duro (spessore 5 nm). Dopo 200 cicli, il tasso di ritenzione della capacità raggiunge l'85%. L'elettrodo negativo è stato applicato a una determinata batteria del veicolo elettrico, raggiungendo una densità di energia di 300Wh/kg nel pacco batteria.
L'elettrodo negativo basato sul titanio europeo si concentra sulla sicurezza. L'elettrodo negativo del titanato di litio (LTO) di un'azienda tedesca ha zero caratteristiche di deformazione (tasso di variazione del volume<1%), with a cycle life exceeding 30000 times, which is 10 times that of graphite. Although the specific capacity is only 175mAh/g (lower than graphite), it can be fully charged to 80% in 10 minutes at a high rate of 10C, and can still function normally at -40 ℃. In energy storage cells, the LTO negative electrode extends the system's cycle life to 15 years, which is twice as long as traditional cells and suitable for grid level energy storage scenarios.
3 diaframma ed elettrolita: garanzia invisibile di sicurezza e conducibilità
La "membrana rivestita" della Corea del Sud migliora la resistenza ad alta temperatura. Il diaframma rivestito in ceramica di LG Chem (substrato PP, rivestito con spessore di 3 μ m) ha migliorato la resistenza alla temperatura da 160 gradi a 200 gradi, con una resistenza alla puntura di 300 gf, che è superiore del 50% rispetto ai diaframmi ordinari. Nel test termico in fuga, il diaframma può ritardare il tempo di corto circuito della cella della batteria a 15 minuti, acquistando tempo per la risposta di sicurezza del sistema batteria. Il suo design "nanopore" (con una dimensione dei pori di 0,1 μ m) aumenta la conduttività ionica del 10% e riduce la resistenza interna della cella della batteria.
"Elettrolita ritardante di fiamma della fiamma" supera i punti deboli di sicurezza. L'elettrolita "ESTER fosfato LIFSI+" sviluppato da una certa impresa, con l'aggiunta di ritardante di fiamma al 10% (estere trietil fosfato), aumenta il punto di accensione dell'elettrolita da 180 gradi a 300 gradi senza influire sulla conducibilità ionica (mantenendo 10 ms/cm). Nel test di puntura dell'ago, le celle della batteria utilizzando questo elettrolita solo fumo e non esplodono e hanno superato la certificazione UL94 V - 0. Allo stesso tempo, l'elettrolita consente alla cella della batteria di mantenere un tasso di ritenzione della capacità del 70% a -30 gradi, espandendo i confini delle applicazioni a bassa temperatura.
L'innovazione materiale delle celle della batteria al litio si sta spostando da "ottimizzazione del materiale singolo" a "collaborazione completa del sistema". In futuro, con la maturità di elettroliti di stato solidi - (conduttività ionica che superano i 10 ⁻ s/cm) e gli elettrodi rari liberi da metalli, le celle a batteria raggiungeranno l'obiettivo finale di "densità energetica di 1000WH/L+ciclo durata di 100000 volte+sicurezza assoluta", sostenendo la base materiale per la crescita esplosiva della nuova industria energetica.