チタン酸リチウム電池の鼓腸抑制における最新の進歩

チタン酸リチウム（一般にLTOとして知られるLi4Ti5O12）空間グループは、Fd3m、スピネル構造に属します。独自の3次元リチウムイオン拡散チャネルにより、優れた電力特性と優れた高温および低温性能という利点があります。同時に、チタン酸リチウムの結晶構造は、リチウムイオンのデインターカレーションサイクル中に高い安定性を維持でき、体積変化は1％未満であり、チタン酸リチウムが重要な負極材料になるための基礎を築きます。さらに重要なことは、バッテリーの安全性に潜む危険性を排除し、リチウム電池の最も安全な負極材料として知られています。チタン酸リチウムの物理構造はリチウム電池の負極材料として適していますが、その電気化学的特性は何ですか？チタン酸リチウムは、カーボンアノード材料と比較して、電位が1.55V対Li + / Li、理論容量が175mAh / g、開回路電圧が2.4V、エネルギー密度と電圧プラットフォームが低いです。

チタン酸リチウム電池には、高い安全性、高率充電、長いサイクル寿命などの利点があります。ただし、チタン酸リチウムを負極として使用すると、電池は充放電サイクル中に深刻な鼓腸を起こします。高温。チタン酸リチウム電池の鼓腸に関する研究は、カーボンコーティングの変更、ハイブリダイゼーション、ナノメーター化などを含めて決して止まることはありませんが、鼓腸の問題は完全には解決されておらず、チタン酸リチウム電池の市場促進を妨げています。

1.チタン酸リチウム電池の鼓腸メカニズム

チタン酸リチウム/ NCMバッテリーの鼓腸がグラファイト/ NCMよりも深刻である理由は、チタン酸リチウムがグラファイトアノードシステムバッテリーのように表面にSEI膜を形成して電解質との反応を阻害できないためです。 。充放電プロセス中、電解質は常にLi4Ti5O12の表面と直接接触しているため、Li4Ti5O12材料の表面で電解質が継続的に還元および分解され、これがLi4Ti5O12バッテリーの鼓腸の根本的な原因である可能性があります。

ガスの主成分は、H2、CO2、CO、CH4、C2H6、C2H4、C3H8などです。チタン酸リチウムを電解液だけに浸すと、CO2のみが生成されます。 NCM材料を使用してバッテリーにした後、生成されるガスにはH2、CO2、COおよび少量のガス状炭化水素が含まれます。充放電時にＨ 2が発生し、同時に発生するガス中のＨ 2の含有量が５０％を超える。これは、充放電プロセス中にH2とCOガスが発生することを示しています。

LiPF6は電解質で次のバランスを持っています：

PF5は、炭酸の分解を引き起こしやすい強酸であり、温度の上昇とともにPF5の量が増加します。 PF5は、電解質が分解してCO2、CO、およびCxHyガスを生成するのを助けます。関連する研究によると、H2の生成は電解質中の微量の水から生じますが、電解質中の含水量は一般に約20×10-6であり、H2の生成にはほとんど寄与しません。上海交通大学のWu Kaiは、彼の実験でバッテリーとしてグラファイト/ NCM111を使用し、H2の発生源は高電圧下での炭酸塩の分解であると結論付けました。

2.チタン酸リチウム電池の鼓腸の抑制

現在、チタン酸リチウム電池の鼓腸を抑制するための解決策は主に3つあります。まず、改良された準備方法や表面改質など、LTOアノード材料の処理と改質。第二に、添加剤、溶剤系を含む、LTOアノードに適合する電解質の開発。第三に、バッテリー技術を改善します。

（1）原料の純度を高め、製造工程での不純物の混入を防ぎます。不純物粒子は、電解質の分類を触媒してガスを生成するだけでなく、リチウム電池の性能、サイクル寿命、および安全性を大幅に低下させます。したがって、バッテリーへの不純物の混入を最小限に抑える必要があります。

（2）チタン酸リチウムの表面はナノカーボン粒子で覆われている。負電極LTOでガスが形成される明らかな理由は、SEI膜の形成が遅く、少ないため、寿命に伴う鼓腸現象につながるためです。研究では、チタン酸リチウムと電解質界面（チタン酸リチウム表面（LTO / C）にナノカーボンコーティング層を構築するなど）と、固体電解質界面（SEI）膜の間に絶縁層が形成されていることがわかりましたコーティング層）一方では、ガスの発生を防ぐために、LTO材料と電解質の間の接触面積が減少します。一方、炭素自体は、SEIフィルムを生成してLTOの欠如を補うことができると同時に、LTO材料の導電性を向上させることもできます。上記の研究結果は、チタン酸リチウム電池製造の問題を解決することができます。ガスの挙動は非常に重要であり、高エネルギーチタン酸リチウムパワーバッテリーの設計と大規模な応用と開発を促進します。

（3）電解液の機能を向上させます。新しい電解質の開発では、多くの特許が添加剤を使用してLTOの表面に緻密なSEI膜の形成を促進し、LTOと電解質の間の界面での副反応の発生を抑制します。フッ化炭酸塩やリン酸塩などの特定の電解質添加剤は、正極表面での安定したSEI膜の形成に役立ち、正極表面での金属イオンの溶解を減らし、それによってガスの発生を減らします。皮膜形成添加剤は、ガスの発生を抑制することもあります。追加の膜形成添加剤には、ホウ酸リチウム、スクシノニトリルまたはアジポニトリル、およびR-CO-CH=N2（RはC1-C8アルキルまたはフェニル）の構造を持つ化合物、環状リン酸、フェニル誘導体、フェニルアセチレン誘導体、LiF添加剤が含まれます。これらの皮膜形成添加剤はすべて、LTOの表面にSEI皮膜を形成するのに役立ち、鼓腸の発生をある程度抑制します。

（4）正極表面コーティング。正極表面をアルミナなどの安定な化合物で覆うことにより、金属イオンの溶解を効果的に抑制することができます。ただし、過度に複雑なコーティング層は、リチウムイオンのインターカレーションを阻害し、材料の電気化学的性能に影響を与えます。

（5）バッテリー製造技術を改善する。バッテリーを製造するときは、動作中の環境湿度と湿気の導入を制御する必要があります。ガスの原因から、空気中の水分が正極材料と反応して炭酸リチウムを生成し、電解液の分解を促進して二酸化炭素を生成することがわかる。さらに、チタン酸リチウム材料自体は非常に強い吸水性を持っています（ドライルームで操作する必要があります）。負のポールピースは水分を吸収した後、電解質の可逆分解によって生成されたPF5と反応してH2を形成するため、厳密な水分制御が不可欠です。