动力电池预锂化专题:正极易于负极_铁酸锂为经济性最优选择.docx
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1、动力电池预锂化专题:正极易于负极_铁酸锂为经济性最优选择一、为什么要发展预锂化:高端动力电池放量在即1.1 为何补锂:锂电池首次充放电活性锂损失导致 ICE 下降锂离子电池的首次充放电阶段,在负极材料的界面会形成主要成分为锂盐 的固态电解质界面(Solid Electrolyte Interface,简称 SEI)。形成 SEI 膜是一个不可逆的过程,活性锂永久损失造成电首次循环的库伦效率 (ICE)降低。因此,在锂离子电池工作之前,向电芯中掺入牺牲性添加 剂等预锂化(也就是“补锂”)技术路线应运而生。1.2 哪些电池需要补锂:硅基负极或有高达 30%不可逆锂损耗绝大部分锂离子电池都面临 SE
2、I 膜形成的问题,但程度不同。锂电池负极 材料种类主要包括三类:嵌入脱出负极材料如商用石墨等、转化型负极材 料、合金负极材料;而这三类负极材料都会面临 SEI 膜形成的问题,活性 锂损失导致 ICE 下降。目前商用石墨为主流负极材料,但其比容量已接近极限。根据水桶的 短板效应,过去提升锂电池能量密度的研究方向主要在于正极材料, 但正极材料尤其是高镍三元能量密度大幅提升后,重点转向了负极材 料;目前石墨负极比容量已接近极限,比容量为石墨 10 倍的硅材料被 认为是理想替代品。高端动力电池尤其是以硅基作为负极的动力电池,补锂为必然。高能 量密度的高镍三元正极配硅碳负极的高端动力电池电池放量在即,但
3、 根据化学试剂定制合成网数据,对于石墨负极:或有 7-20%的活性锂 被囚禁在石墨负极表面,而对于硅基负极:或有高达 30%的活性锂呆 滞硅中,因此补锂成为必然。1.3 需要考虑的因素:程度、分解产物、时间、兼容性以及价格为了保证补锂安全性以及经济性等,预锂化主要需要考虑以下五方面因素:预锂化程度:不充分的锂化不能充分提高 ICE,而过度锂化会造成 Li 枝晶,即会在负极表面结晶形成树枝状金属锂,“锂枝晶”生长到一定程 度便会刺破隔膜,造成锂电池内部短路,影响安全,因此预锂化程度 需与正极材料匹配。预锂化试剂的分解产物:是否存在除了 Li 以外其他非活性残留物质。 例如,若在脱锂时添加剂没有完
4、全分解,则在正极材料中就可能会有 非活性残留物(质量相同时,容量等性能取决于活性物质占比),增加 了正极重量,影响电池的比能量密度。预锂化时间:时间太长会增加生产成本。预锂化工艺与现有电池生产工艺的兼容性:生产变动成本。与现有电 池制备工艺兼容,若与正极材料、粘结剂以及生产环境等相兼容,则 会大幅降低成产变动成本。锂化试剂的价格:原材料成本,例如稳定性金属锂粉末(SLMP)价格 高。二、什么是可工业化且最经济的补锂方式:正极补锂剂铁酸锂,负极需观察成本变化2.1 制备端:正极预锂化在制备端较负极预锂化更容易预补锂技术主要分为两种:正极预锂化和负极预锂化。负极预锂化即在负 极中引入活性锂,用于补
5、偿其因 SEI 生长引起的容量损失;主要有化学法、 电化学法等预锂化技术路线。正极预锂化是在正极预先加入活性锂可以向 负极释放锂离子,补充首次充放电过程中的不可逆容量,主要有添加剂、 过度锂化正极材料等方法。生产工艺的差别:正极制备较负极更易 负极预锂化:与 Li 直接接触与现有的电池产线不兼容且改造成本较高; 添加剂部分活性锂化试剂能够在潮湿环境下使用,与现有生产工艺高 度兼容;电化学法负极预锂化后需要频繁电池拆卸、重新组装,工业 化生产较难。 正极预锂化:添加剂操作简便、成本较低且可以直接在正极浆料的匀 浆过程中添加,无需额外工艺改进;过嵌锂正极材料需要额外的生产 步骤来制备。2.1.1
6、负极预锂化:化学法是实现负极预锂化工业化最有希望和现实意义的方法就目前负极预锂化存在的问题及业内各企业解决办法,化学法或是实现负 极预锂化工业化最有希望和现实意义的方法。方法一:化学预锂化,包括与金属 Li 直接接触及添加剂法。1.与金属 Li 直接接触:主要包括金属锂箔、锂粉补锂。 1)锂箔:在电解液存在的情况下将金属 Li 箔与电极材料直接接触,由 于金属 Li 和电极材料之间存在电势差,电子会流向电极材料,电解液 中 Li+会进入电极材料得到电子。该方法虽然简便快捷,但是缺乏对锂 化速率和锂化程度的控制,并且受限于电解液的挥发和金属 Li 在空气 中的高活性。 解 决 : 锂 化 速 率
7、 及 程 度 不 易 控 制 的 问 题 。 亿纬锂能专利 CN113707954A(2021)通过在负极极片表面构建一层带有缺陷的固 态电解质层(包括锂磷氧氢 LiPON 电解质层、聚合物电解质层或氮化 锂 Li3N 电解质层中的至少一种),即极片表面的电解质层不完整,带 有大量的孔隙,既不影响锂离子迁移又可降低反应速率,并且该固态 电解质层还可以在一定程度上起到保护预锂化负极极片的作用。2)锂粉:稳定化金属锂粉末(SLMP,表面包覆 2-5%的碳酸锂 Li2CO3) 表面钝化膜的存在使之稳定方便,但其需要在干燥空气条件下使用, 且成本也较高。 解决:需在干燥空气中使用的问题。比亚迪专利 C
8、N114122368A (2020)提出一种具有核壳结构的复合材料,所述复合材料包括金属 锂颗粒和包裹金属锂颗粒的有机物(有机酯、酸酐或醚类),1.该有机 物在 80以下为固态,且当补锂材料应用于锂电池时,其能溶解于电 解液;2.有机物的包覆有效阻止了锂在极片制备过程中与空气的反应,因此降低了对工艺水平和环境条件的要求,成本降低,安全隐患也减 少。与 Li 直接接触的其他问题(死锂):将补锂材料压按或涂覆于负极材 料表面,当锂金属与负极如石墨不接触或最接近负极材料的补锂层消 耗掉以后,容易形成死锂大幅降低补锂效率,还有可能形成枝晶,造 成安全隐患。解决:补锂效率低、枝晶问题。比亚迪专利 CN1
9、12993251A(2021) 提供一种补锂材料,该补锂材料包括金属锂颗粒和导电材料(碳材料, 选自碳纳米管、碳纤维和石墨烯中的至少一种),1.其可以透过导电材 料实现锂金属颗粒与负极材料的电子传导,增加电子传导的通道,2. 同时有助于 Li+的传输,实现 Li+的快速嵌入,使补锂效率显著提升, 从而有效抑制死锂的形成,避免形成枝晶刺穿隔膜而造成安全隐患。2.添加剂:选用合适的化学试剂并优化反应条件能够实现对负极材料的直 接高效预锂化,如合金材料 Li22Z5(Z=Si、Ge、Sn,etc),但反应活性较 高,制备和添加都需要在氩气保护的氛围下进行,且与极性溶剂不兼容。 方法二:电化学预锂化,
10、包括原位预锂化与非原位预锂化。负极材料与 Li 片组装半电池。锂化程度可控,但存在 1.首次充放电反应复 杂,涉及电解液复杂的化学变化,很难做到精确的补充;2.预锂化负极在 空气中不稳定,化学反应活性高,需要在惰性气体条件下进行后续电池制 造;3.繁琐的电池拆卸、重新组装等问题。 解决:难精确补充问题。比亚迪专利 CN216054872U(2021),通过提出 一种仪器设备组合联用的方法,基于在线监测系统、气相色谱仪、气相色 谱/质谱联用仪等仪器,在电化学补锂过程中监测及实时调控补锂过程中的 电解液成分的系统,从而实现对电化学补锂过程进行管控。a 为非原位锂化:将负极极片与金属锂组装成半电池,
11、经过充放 电循环后使负极达到设定的预锂化水平,然后与正极极片组装成电池;b 为原位锂化:为简化拆解、重新组装电池的过程,该方法在电池组装过程 中添加金属锂作为第三极,将负极与金属 Li 作为对电极进行放电,实现对 负极原位补锂;但该工艺对电极结构设计要求较高,且要实现所有极片均 匀预锂化需要使用足够小的电流经过较长时间完成,同时还要确保打孔的 正极与负极极片具有较好的锂离子扩散通道。2.1.2 正极预锂化:铁酸锂及镍酸锂实现工业化生产,寻找具有高过锂化容量 的正极材料较难方法一:过嵌锂的正极材料:具有化学或电化学活性,并可以在第一次循 环中进一步释放多余的锂,以转化或嵌入负极的形式补偿负极的活
12、性锂损 失。 优势:过锂化正极材料在去锂化后,正极不会有非活性残留物,不会 影响电池的比能量密度;缺点:并非所有过度锂化的正极材料都适用,并且寻找具有高过锂化 容量的正极材料较难。方法二:添加剂(正极补锂材料)。正极添加剂补锂是在正极合浆过程中添 加少量高容量材料,在充电过程中,Li+从高容量材料中脱出补充容量损失。 优势:添加剂可以直接在正极浆料的匀浆过程中添加,因此只需较少 工艺改进,更适合现在的锂离子电池制造工艺;缺点:如果在脱锂时添加剂没有完全分解,在正极材料中可能会有非 活性残留物。完美的正极补锂材料需要满足 4 点基本要求: 1)脱锂电位低于正极材料电压上限,嵌锂电位低于正极材料电
13、压下 限,即需要添加剂在电池工作电压内不可逆脱锂。 2)补锂材料应具有高的比容量和体积能量密度以保证高效的预锂化。 3)补锂材料应与现在通用的制作工艺和电池体系兼容,即需要补锂 材料及其分解产物在传统电解液中是稳定的,不会引起锂离子电池 的性能恶化。 4)补锂材料具有良好的环境稳定性,即在空气或较干燥的环境下需 保持稳定。铁酸锂(Li5FeO4)及镍酸锂(Li2NiO2)满足完美正极补锂材料 4 点要求, 但对于预锂化需考虑的 5 方面因素的预锂化程度及其分解产物方面仍存在 些许问题。添加剂主要分为三类:二元含锂化合物、三元含锂化合物以及 牺牲性锂盐。二元含锂化合物:如氮化锂(Li3N)、硫化
14、锂(Li2S)等,理论比容量 高,少量添加就可实现补锂效果,但是化学性质不稳定,硫化锂、氮 化锂等还具有毒性,此外,脱锂产生的副产物如 N2、O2 等气体需要排 出,否则会影响电池容量等性能。三元含锂化合物:如镍酸锂(Li2NiO2)、铁酸锂(Li5FeO4)等,除铁 酸锂(Li5FeO4)(理论容量 870mAh/g)外,通常其容量低于二元含锂 化合物,满足完美正极补锂材料 4 点要求。 牺牲性锂盐:虽氧化分解无残留,但预锂化过程会生成气体 N2、CO2 等,需要在气体完全释放后对电池进行密封,不利于工业生产。镍酸锂(Li2NiO2):1.首次循环中,电压范围 3.5-4.4V,充放电容量分
15、别 为 340mAh/g、83mAh/g(库伦效率 CE=24%),意味着 LNO 中有 76%不 可逆的 Li+可用于预锂化;2.第二次循环充放电容量分别为 76mAh/g、 74mAh/g(库伦效率 CE=97%),在一定程度上允许可逆地嵌锂和脱锂, 因此,LNO 不仅可以作为简单的预锂剂,还可以作为额外的活性材料。但是镍酸锂在空气中不稳定,会发生快速分解反应。铁酸锂(Li5FeO4):1.首次循环中,电压范围 2.5-4.7V,充放电容量分别 为 678mAh/g、110 mAh/g(库伦效率 CE=16%),意味着 LFO 中有 84% 的不可逆的 Li+可用于预锂化,对应 4 个 L
16、i+脱嵌,提取 Li+后引起了结构变 形导致不可逆,没有明显的副反应;2.由于在 Li+预掺杂的过程中,只有一 次充电到 4.7V 高电压,此后都在低于 3.9V 的电压下工作,脱锂后铁酸锂 的结构为 LiFeO2不会再参与电化学反应,因此,对于铁酸锂在循环过程中 释放的 O2较少,因而导致的安全问题不会很严重。铁酸锂 V.S 镍酸锂:根据深圳研一镍酸锂及铁酸锂产品参数对比,其铁酸 锂纯度、首充容量、补锂容量以及能量密度更高,但同时残碱量较镍酸锂 也更高。预锂化 V.S 无预锂化(利用铁酸锂预锂化):可以看出掺杂 LFO 可显著提高充放电效率以及能量密度,Park 等人运用 LFO 补锂剂对
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