Poedermaterialen in lithiumbatterijen - Weet u welke?

Lithiumbatterijen bestaan voornamelijk uit de anode, kathode, separator, elektrolyt, bindmiddel, geleidingsmiddel, stroomcollector en verpakkingsmaterialen. Volgens de classificatie van de materiaalvorm zijn de anode, kathode, bindmiddel en geleidingsmiddel: poedermaterialen in lithiumbatterijen. Sommige vaste elektrolyten zijn poedermaterialen, en sommige gemodificeerde separatoren bevatten ook poedermaterialen.

Positieve elektrode

Tot de gecommercialiseerde positieve elektrodematerialen behoren lithiumkobaltoxide (LiCoO2), lithiummangaanoxide (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) en Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4).

Lithiumkobaltoxide (LiCoO2): Een zwarte vaste stof bij kamertemperatuur. Het is een anorganische verbinding die bekend staat om zijn stabiliteit, eenvoudige synthese, hoge elektrochemische prestaties en lange levensduur. Het is het eerste commercieel succesvolle kathodemateriaal voor lithium-ionbatterijen en wordt voornamelijk gebruikt in 3C-batterijen.
Lithiummangaanoxide (LiMn2O4): Een zwartgrijs poeder met een kubische spinelkristalstructuur. Het bevat drie lithiumiontransportkanalen, wat snellere ionendiffusie mogelijk maakt. Dit maakt het geschikt voor lithiumionbatterijen met een hoge laadsnelheid.
Ternair positief materiaal (LiNixMnyCozO2): Een ternair kathodemateriaal waarbij Ni en Mn gedeeltelijk Co vervangen in LiCoO2. Het erft de stabiliteit van LiCoO2, de hoge reversibele capaciteit van LiNiO2 en de veiligheid van LiMnO2. Het lagere Co-gehalte verlaagt de kosten, waardoor het een veelbelovend kathodemateriaal is.
Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO4): Dankzij de olivijnstructuur bevat het geen dure elementen zoals Co of Ni. Het is kosteneffectief en bevat veel grondstoffen. Het heeft een gemiddelde werkspanning (3,2 V), een hoge specifieke capaciteit (170 mAh/g), een groot ontladingsvermogen, een snelle oplaadmogelijkheid en een lange levensduur.

Negatieve elektrode

Veelgebruikte materialen voor negatieve elektroden zijn onder andere grafiet, harde koolstof, zachte koolstof, lithiumtitanaat en silicium. Grafiet wordt het meest gebruikt en silicium heeft het meeste potentieel.

Grafiet: Bestaat voornamelijk uit grafiet, heeft een hoge geleidbaarheid en energiedichtheid, chemisch stabiliteit en lage productiekosten. Het is verkrijgbaar in natuurlijke en kunstmatige vormen.
Harde koolstof: Het is koolstof die bij hoge temperaturen niet grafiet. Het heeft een ongeordende interne kristalstructuur en een grote tussenruimte tussen de lagen, waardoor er meer lading kan worden opgeslagen, wat de energiedichtheid en de levensduur van de batterij verbetert.
Zachte koolstofDit materiaal is gemakkelijk te grafitiseren boven 2500 °C. Het heeft een hoge ordeningsgraad en biedt een lage, stabiele laad-/ontlaadspanning. Het biedt een grote capaciteit, een hoge efficiëntie en goede cyclusprestaties. De structuur is afhankelijk van de sintertemperatuur. Zachte koolstofmaterialen die worden bereid bij temperaturen onder 1000 °C hebben een groot aantal defecten, wat zorgt voor een groot aantal actieve locaties voor lithiumopslag, wat bevorderlijk is voor de soepele invoeging en extractie van lithiumionen.
Lithiumtitanaat: Een wit poeder met een hoge lithiumionextractiespanning (1,55 V vs. Li/Li+). Het is zeer veilig en heeft een "zero-strain"-karakteristiek, wat zorgt voor minimale structurele verandering tijdens het inbrengen en verwijderen van lithiumionen. Dit biedt een onbeperkte theoretische levensduur. Daarom heeft het een grote onderzoekswaarde en commerciële toepassingsmogelijkheden als negatief elektrodemateriaal voor energieopslag en lithiumbatterijen.
Materialen op basis van silicium: Omvat nanosilicium en siliciumsuboxide. Deze materialen worden gebruikt voor silicium-koolstof- of siliciumoxide-anoden. Anodes op basis van silicium bieden een veel hogere specifieke capaciteit en energiedichtheid dan materialen op basis van koolstof, waardoor ze de meest veelbelovende anodematerialen van de volgende generatie zijn.

Bindmiddelen

Bindmiddelen zoals polyvinylideenfluoride (PVDF) en styreen-butadieenrubber (SBR) worden gebruikt. PVDF kan voor zowel de anode als de kathode worden gebruikt, terwijl SBR doorgaans voor de anode wordt gebruikt.

Polyvinylideenfluoride (PVDF)PVDF heeft een uitstekende chemische stabiliteit en corrosiebestendigheid. Het biedt effectief weerstand tegen de corrosieve werking van elektrolyt-oplosmiddelen. Het biedt ook goede hechtingseigenschappen, mechanische prestaties en verwerkbaarheid. De flexibiliteit van PVDF zorgt ervoor dat de werkzame stoffen niet loskomen tijdens uitzetting en krimp.
Styreen-butadieenrubber (SBR):SBR wordt veel gebruikt als bindmiddel op waterbasis, met name in anodebindmiddelen, waar het onder andere 98% betreft. Het biedt sterke hechting, mechanische stabiliteit en gebruiksgemak. Het helpt deeltjes aan elkaar te binden en verbetert de batterijdynamiek, verlaagt de impedantie en verbetert de cyclusstabiliteit.

Geleidende middelen

Geleidende middelen worden gebruikt om goede laad-/ontlaadprestaties te garanderen door microstromen te verzamelen en deze naar de stroomcollector (aluminium of koperfolie) te leiden. Veelvoorkomende geleidende middelen zijn: carbon zwart, dampgekweekte koolstofvezels (VGCF) en koolstofnanotubes (CNT).
Carbon zwart: Een amorfe koolstof die een fijn, los zwart poeder is. Het wordt geproduceerd door de onvolledige verbranding van organische stoffen en een behandeling bij hoge temperaturen om de geleidbaarheid en zuiverheid te verbeteren. Het is het meest gebruikte geleidende middel in lithiumbatterijen, omdat het het contact tussen deeltjes verbetert en een geleidend netwerk vormt.
Vapor-Grown Carbon Fibers (VGCF)Deze vezels hebben een hoge buigmodulus en een lage thermische uitzetting. De toevoeging van VGCF verbetert de flexibiliteit en mechanische stabiliteit, waardoor ze geschikt zijn voor batterijen met een lange levensduur en een hoog vermogen, zoals die in elektrische voertuigen.
Koolstofnanobuizen (CNT)De impedantie van CNT is slechts de helft van die van koolstofzwart. Een lage impedantie zorgt voor een goede geleiding, verbetert de polarisatie en verbetert de cyclusprestaties. De toegevoegde hoeveelheid koolstofzwart is ongeveer 3% van het gewicht van het positieve elektrodemateriaal, terwijl de toegevoegde hoeveelheid CNT slechts 0,8%~1,5% bedraagt. De lage toegevoegde hoeveelheid bespaart ruimte voor actieve materialen, waardoor de energiedichtheid toeneemt. CNT is echter niet gemakkelijk te dispergeren. Momenteel gebruikt de industrie over het algemeen hogesnelheidsscharen, het toevoegen van dispergeermiddelen en elektrostatische dispersie met ultrafijne maalkorrels om het te verwerken.

Vaste-toestand elektrolyten

Sommige vaste elektrolyten bestaan ook in poedervorm:

Hoogzuiver germaniumdisulfide (GeS2): Een wit poeder met een hoge ionische geleidbaarheid, chemische stabiliteit en een lange levensduur. Het kan een zuiverheid van 99,99% bereiken.
Lithium Lanthaan Zirkonium Oxide (LLZO): Dit materiaal heeft een uitstekende ionengeleiding (1,5 × 10-4 S/cm) en wordt gebruikt voor de bereiding van vaste-stof lithiumbatterijen. Het kan worden gesynthetiseerd via sol-gel, verbranding bij lage temperatuur, micro-emulsie en andere methoden.
Lithium Lanthanum Zirconium Tantaal Oxide (LLZTO):Het biedt een hoge ionische geleidbaarheid, chemische stabiliteit en thermische stabiliteit. Door het bereidingsproces en de kristalstructuur te optimaliseren, kunnen de elektrische eigenschappen verder worden verbeterd om te voldoen aan de eisen van hoogwaardige solid-state batterijen.

Andere vaste elektrolytpoeders zijn onder meer bariumsulfaat, lithiumfosforzwavelchloride (sulfide met hoge stabiliteit) en lithiumgermaniumfosforzwavelsulfide.

Batterijscheider

Traditionele separatoren hebben een slechte stabiliteit bij hoge temperaturen, wat de veiligheid beïnvloedt. Om de veiligheid te verbeteren, worden separatoren aangepast met poedercoatings. Deze aangepaste separatoren bevatten poedermaterialen.

Aluminiumoxide (Al2O3)Aluminiumoxide is een veelvoorkomend materiaal in de natuur en heeft uitstekende chemische inertheid, thermische stabiliteit en mechanische eigenschappen. Het wordt vaak gebruikt in keramische separatoren om de algehele prestaties van polyolefine separatoren te verbeteren. Het is ook het anorganische poeder dat in grote hoeveelheden wordt gebruikt bij de modificatie van membranen van lithiumbatterijen.
Boehmiet (AlOOH): Böhmiet, ook bekend als monohydraat aluminiumoxide, is een type aluminiumoxide met kristalwater. Het is een onvervangbare voorloper van aluminiumoxide. De productie van AlOOH is eenvoudiger dan die van α-Al2O3. In de industrie wordt boehmietslurry verkregen via de hydrothermische gibbsietmethode, waarna ultrafijn AlOOH-poeder wordt verkregen door filteren, drogen en vermalen.
Titaandioxide (TiO2)TiO2 is niet-giftig, stabiel en gemakkelijk te controleren tijdens de voorbereiding. Het verbetert de thermische stabiliteit van de separator, de bevochtigbaarheid van de elektrolyt en verlaagt de interface-impedantie, waardoor het lithiumiontransport verbetert. Het is een goed materiaal voor het modificeren van organische polymeerscheiders.
Siliciumdioxide (SiO2)SiO2 is een veelgebruikte anorganische vulstof die gebruikt wordt om polymeren te modificeren. Het grote oppervlak en de hydroxylgroepen (Si-OH) verbeteren de bevochtigbaarheid van de separator, verbeteren het lithiumionentransport en verbeteren de elektrochemische prestaties. SiO2 versterkt ook de mechanische sterkte van de separator en voorkomt dendrietgroei, waardoor thermische kortsluiting wordt verminderd. In tegenstelling tot Al2O3, TiO2 en AlOOH is SiO2 gemakkelijker te controleren en te modificeren.

Episch poeder

Epic Powder is gespecialiseerd in het leveren van geavanceerde maaloplossingen die cruciaal zijn voor de productie van poedermaterialen in lithiumbatterijen. Met onze ultramoderne apparatuur, zoals straalmolens, kogelmolens en luchtclassificatoren, garanderen we nauwkeurige controle over deeltjesgrootte en distributie, waardoor de prestaties van kritieke batterijmaterialen zoals kathodes, anodes en geleidende middelen worden geoptimaliseerd. Onze geavanceerde technologieën verbeteren niet alleen de efficiëntie van de batterijproductie, maar ondersteunen ook de ontwikkeling van de volgende generatie solid-state- en high-performance batterijen. Samenwerken met Epic Powder betekent het ontsluiten van het potentieel van uw poedermaterialen in lithiumbatterijen voor superieure energieopslagoplossingen.