Tecnología de prelitiación para baterías de iones de litio

Compartir tecnología | A&S POWER | Sep 01, 2023

La investigación sobre baterías de iones de litio siempre se ha centrado en la alta densidad de energía y el largo ciclo de vida de los materiales de los electrodos. Los materiales de las baterías de iones de litio, encabezados por cátodos ternarios con alto contenido de níquel, ánodos a base de silicio, etc., si bien muestran una mayor capacidad de almacenamiento de litio, también enfrentan enormes aplicaciones. Problema: Durante el primer proceso de carga y descarga, el electrolito se descompone, lo que resulta en la Pérdida irreversible de iones de litio, lo que reduce en gran medida la primera eficiencia de Coulombic y la densidad energética. Por tanto, reducir la pérdida de litio activo es la solución más directa, y la tecnología utilizada para ello es la prelitiación.



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?Qué es la prelitiación? ?Cuál es el punto de?

La prelitiación es en realidad una tecnología de reposición de litio que "previene los problemas antes de que ocurran". Al agregar litio activo por adelantado, se libera litio adicional durante el primer proceso de carga y descarga para complementar las pérdidas, aumentar la capacidad y la densidad energética y mejorar la primera eficiencia Coulombic. y almacena litio adicional en los sistemas de electrodos positivos y negativos. Antes de introducir formalmente estas estrategias, ?podríamos averiguar adónde van a parar los iones de litio perdidos? ?Cuáles son las causas fundamentales de la prelitiación?

Tomando como ejemplos medias celdas con materiales de electrodos positivos comunes, como fosfato de hierro y litio, las primeras curvas de carga y descarga son las siguientes.



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La primera capacidad de carga de las dos semiceldas de material catódico es mayor que la primera capacidad de descarga. En otras palabras, los iones de litio desintercalados del cátodo durante la carga no regresan al 100% al cátodo durante la descarga. Entonces, ?adónde va la capacidad perdida? Después de la primera carga y descarga, la estructura del material del cátodo cambia debido a la delitiación, reduciendo así el número de sitios intercalables con litio en el material. Cuando los iones de litio regresan, se encuentran "sin hogar", lo que provoca una pérdida de capacidad.

Las semiceldas de material negativo también se ven afectadas por la eficiencia del primer uso. Tomando como ejemplo la media celda de ánodo de grafito, su primera curva de carga y descarga es la siguiente.

 

La primera capacidad de carga de esta media celda es significativamente menor que la primera capacidad de descarga, lo que significa que los iones de litio llegan a la capa de grafito durante el proceso de descarga y no se desintercalan al 100% de la capa de grafito durante la carga posterior. La razón es que antes de que los iones de litio se incrusten en la capa de grafito, primero formarán una película de interfaz de electrolito sólido (película SEI) en la superficie. Los iones de litio dedicados a la película SEI están "confinados" y no pueden regresar al electrodo positivo, provocando así la pérdida irreversible de litio. pérdida.

 

Introducción a la tecnología prelitiaria.

Para complementar la pérdida de litio causada por el cambio de estructura de los electrodos y el consumo de película SEI, los investigadores han introducido muchas estrategias previas a la litiación. A continuación, los exploraremos desde los aspectos de ventajas y clasificación.

 

1. Ventajas de la tecnología prelitiaria

Además de aumentar la densidad de energía, ampliar la capacidad y reponer las pérdidas de litio, la tecnología de prelitiación también tiene muchos beneficios para mejorar el rendimiento electroquímico de la batería:

1.El electrodo prelitiado reduce la resistencia interna de la batería y tiene un mejor rendimiento de velocidad.

2. Para materiales con grandes cambios de volumen durante el ciclo (como el silicio), la prelitiación puede hacer que el electrodo se expanda en volumen por adelantado, evitando que la estructura del electrodo colapse y que los materiales del electrodo se caigan durante el proceso de ciclo de la batería.

3. Promover con antelación la formación del cine SEI. Con control artificial, se puede formar una película SEI más estable, lo que ayuda a reducir el consumo de electrolitos y mejorar el rendimiento electroquímico.

 

2. Clasificación de la tecnología prelitiaria

Aprovechando las ventajas de los puntos clave, el punto clave de la tecnología prelitiaria es el "electrodo", que también corresponde al enfoque actual de la investigación. A partir de los materiales de las baterías, la tecnología de prelitiación se puede dividir en prelitiación de electrodos positivos, prelitiación de electrodos negativos, prelitiación de separadores y prelitiación de electrolitos. Entre ellos, la prelitiación de electrodos positivos y negativos es la investigación más extensa y profunda y se utilizará como aspectos destacados.

 

(1) Prelitiación del electrodo negativo

La investigación existente se centra en tres direcciones clave: agregar agentes de reposición de litio a electrodos negativos, prelitiación electroquímica y prelitiación química.

1. Suplemento de litio negativo

Cuando se trata de suplementos de litio, la forma más directa es prescribir el medicamento adecuado: a?adir litio en polvo. Esto es teóricamente factible porque el litio metálico tiene una alta capacidad teórica de 3860 mAh/g y no hay residuos ni impurezas después de la suplementación con litio. Sin embargo, debido a las propiedades excesivas del litio metálico Lively, tiene requisitos muy estrictos en cuanto al entorno de producción, transporte, almacenamiento y aplicación.

Para ello, los investigadores han desarrollado un polvo de litio metálico estabilizado (SLMP) recubierto con carbonato de litio. SLMP tiene una estructura núcleo-carcasa con una capacidad de aproximadamente 3600 mAh/g. El efecto protector exterior de la capa de carbonato de litio hace que el polvo de litio se pueda utilizar en un ambiente seco. SLMP generalmente se agrega mediante homogeneización o se carga directamente en la superficie de la pieza del electrodo negativo. El grado de prelitiación se puede ajustar controlando la cantidad. Cuando se utiliza, la capa de revestimiento de la superficie debe triturarse con presión para activar el litio. SLMP es fácil de usar, tiene un buen efecto de reposición de litio, puede producirse comercialmente y se ha utilizado ampliamente en materiales anódicos a base de silicio y carbono.