Forschungsfortschritt 2018 zu Energiespeicherung und Energiebatterie

Kathodenmaterialien für Lithiumionenbatterien werden hauptsächlich in lithiumreiche Materialien auf Manganbasis, ternäre Verbundmaterialien, LiMn 2 O 4 vom Spinelltyp, Lithiumeisenphosphat und Lithiumnickelmanganoxid unterteilt. Li-reiches Festlösungskathodenmaterial auf Manganbasis Li 1 + x M 1 – x O 2 (M ist ein Übergangsmetall wie Ni, Co und Mn) mit hoher spezifischer Kapazität (> 200 mAh/g), hoher Energiedichte, Niedrige Kosten und Umweltschutz Freundlich usw., aber es gibt Mängel wie eine niedrige Anfangsentladungseffizienz, eine niedrige Coulomb-Effizienz, eine schlechte Zykluslebensdauer, eine unbefriedigende Leistung bei hohen Temperaturen und eine Leistung bei niedriger Rate. Der Forscher Wang Zhaoxiang vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kombiniert experimentelle Forschung mit theoretischen Berechnungen. Ausgehend von der Erforschung der treibenden Kraft der Mn-Migration untersucht diese Veröffentlichung eine Reihe von Problemen, die durch die Mn-Migration verursacht werden, und schlägt ein Verfahren zur Hemmung der Mn-Migration vor. Professor Wang Xianyou von der Xiangtan University ging von der Beziehung zwischen Materialstruktur und Leistung aus und verbesserte und verbesserte sie durch Optimierung der Materialstruktur, Design der Materialzusammensetzung (O-Überschuss), Kontrolle der Materialphasenzusammensetzung (Co-dotiert) und Oberflächenmodifikation (mit Polyanilin beschichtet). . Der Weg der Lithium-Materialleistung. Bei der Beschichtungsmodifikation führte Professor Chen Zhaoyong von der Changsha University of Science and Technology eine eingehende Studie durch: Auf der Oberfläche des lithiumreichen Kathodenmaterials auf Manganbasis wurde eine mikroporöse Al 2 O 3 /PAS-Doppelschicht-Mantelstruktur aufgebaut , und das Kathodenmaterial hatte eine Rate von 0,1 C. Die spezifische Kapazität beträgt bis zu 280 mAh/g, und nach 100 Zyklen bei 0,2 C gibt es immer noch 98%-Kapazitätserhaltung und keine strukturelle Umwandlung des Materials. Die Erforschung des ternären Ni-Co-Mn-Kathodenmaterials konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung der Zusammensetzung und der Herstellungsbedingungen, der Beschichtungs- oder Dotierungsmodifikation usw., um die Kapazität, die Zykluseigenschaften und die Ratenleistung weiter zu verbessern. Die spezifische Erstentladungskapazität der spezifischen Erstentladungskapazität beträgt 209,4 mAh/g, 1,0 C. Die spezifische Erstentladungskapazität des Materials beträgt 0,1 C mAh/g, 1,0 C. 7%。 Kapazitätsretention Rate von 95,51 TP2T, die Kapazitätsretentionsrate bei hohen Temperaturen beträgt immer noch 87,71 TP2T. Das Beschichtungsmaterial kann auch LiTiO 2 , Li 2 ZrO 3 oder dergleichen sein, was die Stabilität des ternären positiven Elektrodenmaterials verbessern kann. Die Herstellung von Spinell LiMn 2 O 4 durch Festphasen-Verbrennungssynthese kann die Reaktionstemperatur verringern, die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und die Kristallstruktur des Produkts verbessern. Die Hauptmethoden zur Modifizierung des Spinells LiMn 2 O 4 sind Beschichtung und Dotierung, wie Beschichtung mit ZnO, Al 2 O 3 , Dotierung von Cu, Mg und Al. Die Modifizierung von Lithiumeisenphosphat wird erwähnt. Die verwendeten Verfahren sind Co-Dotieren von Elementen (wie Vanadiumionen und Titanionen), Zugabe von Ferrocen und anderen katalytischen Graphitisierungsadditiven und Compoundieren mit Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und dergleichen. Bei Lithium-Nickel-Manganat-Kathodenmaterialien kann die Hochtemperaturstabilität auch durch Dotierungsmodifikation und -beschichtung sowie durch Verbesserung von Syntheseverfahren und -prozessen verbessert werden. Andere Forscher haben einige andere Arten von Kathodenmaterialien vorgeschlagen, wie z. B. carbonylkonjugierte Phthalocyaninverbindungen mit einer anfänglichen spezifischen Entladungskapazität von 850 mAh/g; Graphen-mesoporöser Kohlenstoff/Selen (G-MCN/Se) ternär Für die positive Elektrode aus Verbundfilm, wenn der Selengehalt 62% war, war die erste Entladungskapazität von 1 C 432 mAh/g und blieb danach bei 385 mAh/g 1 300 Zyklen, was eine gute Zyklenstabilität zeigt.

Graphitmaterialien sind derzeit die wichtigsten Anodenmaterialien, aber Forscher haben andere Anodenmaterialien untersucht. Im Vergleich zum Kathodenmaterial weist das Anodenmaterial keinen offensichtlichen Forschungs-Hotspot auf. Der Elektrolyt zersetzt sich auf der Oberfläche der Graphitanode während des ersten Zyklus der Batterie reduktiv und bildet eine Festelektrolyt-Phasengrenzflächenmembran (SEI), was zu einem ersten irreversiblen Kapazitätsverlust führt, aber die SEI-Membran kann verhindern, dass der Elektrolyt dies fortsetzt zersetzen sich auf der Graphitoberfläche und schützen so die Elektrode. Die Rolle. Zhang Ting von der South China Normal University fügte Dimethylsulfit als filmbildendes SEI-Additiv hinzu, um die Kompatibilität zwischen der Graphitanode und dem Elektrolyten zu verbessern und die elektrochemische Leistung der Batterie zu verbessern. Einige Forscher haben Nano-Titanat-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe als Anodenmaterialien verwendet und durch Magnetron-Sputtern mit ZnO, Al 2 O 3 und anderen Materialien beschichtet, um die Ratenleistung und Zyklusstabilität zu verbessern; Sprühtrocknungspyrolyse Das durch das Verfahren hergestellte Silizium-Kohlenstoff-Verbundanodenmaterial hat eine erste spezifische Entladungskapazität von 1033,2 mAh/g bei einem Strom von 100 mA/g und eine erste Ladungs- und Entladungseffizienz von 77,31 TP2T; selbsttragendes flexibles Silizium/Graphen Das Anodenmaterial aus Verbundfolie wurde 50 Mal bei einem Strom von 100 mA/g zykliert, die spezifische Kapazität betrug immer noch 1.500 mAh/g und die Coulomb-Effizienz wurde bei 99% oder mehr stabilisiert. Der Grund dafür ist, dass die Graphenschichten eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Flexibilität aufweisen.

Elektrolyt Das traditionelle Karbonatelektrolytsystem hat Probleme wie Entflammbarkeit und schlechte thermische Stabilität. Es entwickelt ein Elektrolytsystem mit hohem Flammpunkt, Nichtentflammbarkeit, breitem elektrochemischem Stabilitätsfenster und breiter Temperaturanpassungsfähigkeit. Es ist ein Schlüsselmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.

Ein Forschungsschwerpunkt bei Nickel-Metallhydrid-Batterien sind Materialien aus Wasserstoffspeicherlegierungen. Professor Guo Jin von der Guangxi-Universität glaubt, dass das schnelle Abkühlen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff und die Nichtgleichgewichtsbehandlung des mechanischen Kugelmahlens die Wasserstoffspeicherleistung der Mg 17 Al 12 -Legierung regulieren. Außerordentlicher Professor Lan Zhiqiang von der Guangxi-Universität verwendete den Wärmebehandlungsprozess in Kombination mit mechanischem Legieren, um Mg 90 Li 1 – x Si x (x = 0, 2, 4 und 6) Verbundwerkstoffe für die Wasserstoffspeicherung herzustellen, und untersuchte die Zugabe von Si zum Festlösungslagerung des Mg-Li-Systems. Die Wirkung der Wasserstoffleistung. Die Einführung von Seltenerdelementen kann das Amorphisierungsphänomen und den Disproportionierungsprozess der Legierungszusammensetzung während des Wasserstoffabsorptions- und -desorptionszyklus hemmen und die reversible Wasserstoffabsorption und -desorption der Legierung erhöhen. Die auf dem Markt üblichen Wasserstoffspeicherlegierungsmaterialien sind meist mit Seltenerdelementen (La) dotiert. , Ce, Pr, Nd usw.), aber der Preis von Pr und Nd ist höher. Zhu Xilin berichtete über die Anwendung einer nicht mit Pr und Nd dotierten Wasserstoffspeicherlegierung AB 5 in einer Nickel-Wasserstoff-Batterie. Die für den Elektrobus verwendete quadratische Batterie wurde 100 000 km sicher betrieben. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt für Wasserstoffspeichermaterialien sind metallische Stickstoffhydride wie Mg(BH 2 ) 2 -2LiH, 4MgH 2 – Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 und NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 . Das Verringern der Teilchengröße und das Hinzufügen eines Alkalimetalladditivs kann die Wasserstoffspeicherleistung des Metallkoordinations-Wasserstoffspeichermaterials verbessern, wobei die Teilchengröße verringert wird, was hauptsächlich durch mechanisches Hochenergie-Kugelmahlen erreicht wird. Das von Professor Sun Lixian von der Guilin University of Electronic Technology beschriebene amindekorierte 12-verbundene MOF-CAU-1-Material weist hervorragende H 2 -, CO 2 - und Methanol-Adsorptionseigenschaften auf, die von großer Bedeutung und Anwendungswert für die Reduzierung von CO 2 -Emissionen und die Wasserstoffspeicherung sind . Sie entwickelten auch eine Vielzahl von wasserstofferzeugenden Materialien auf Aluminiumbasis, wie etwa 4MgH 2 -Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 und NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 , die in Kombination mit Brennstoffzellen verwendet werden.

Die Suche nach Elektrodenmaterialien mit hoher Leistungsfähigkeit und langer Zyklenlebensdauer steht im Mittelpunkt der Forschung zu Superkondensatoren, unter denen Kohlenstoffmaterialien die gebräuchlichsten Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren sind, wie beispielsweise poröse Kohlenstoffmaterialien, Biomasse-Kohlenstoffmaterialien und Kohlenstoffverbundmaterialien. Einige Forscher haben nanoporöse Kohlenstoff-Aerogel-Materialien hergestellt und bewiesen, dass gute elektrochemische Kapazitätseigenschaften von der dreidimensionalen Netzwerkskelettstruktur und der ultrahohen spezifischen Oberfläche herrühren. Nie Pengru, Huazhong University of Science and Technology, erhielt ein dreidimensionales poröses Kohlenstoffmaterial und verwendete es als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren im Prozess der Rückgewinnung von Blei-Säure-Altbatterien durch Zitronensäure-Nasslaugung. Dieses Verfahren kann die enge Integration der Energiespeicherindustrie und der Umweltschutzindustrie fördern und gute ökologische und ökologische Vorteile erzeugen. Die Forscher untersuchten auch die Verwendung verschiedener Kohlenstoffmaterialien aus Biomasse (Saccharose, Pollen, Algen usw.) als Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren. Im Hinblick auf Verbundmaterialien haben Forscher ein sandwichförmiges MoO 3 /C-Verbundmaterial entwickelt, bei dem die α-MoO 3 -Schicht und die Graphenschicht horizontal verschachtelt und gestapelt sind, das hervorragende elektrochemische Eigenschaften aufweist; Graphen/Kohlenstoff-Quantenpunkt-Komposit Das Material kann auch als Elektrodenmaterial mit einer spezifischen Kapazität von 256 F/g bei einem Strom von 0,5 A/g verwendet werden. Professor Liu Zonghuai von der Shaanxi Normal University stellte ein aus Manganoxid-Nanopartikeln zusammengesetztes mesoporöses Manganoxid-Nanoelektrodenmaterial mit einer spezifischen Oberfläche von 456 m 2 /g und einer spezifischen Kapazität von 281 F/g bei einem Strom von 0,25 A/g her. Liu Peipei von der South China University of Technology stellte ein dreidimensionales NiO-Co 3 O 4 -Verbundmaterial mit Nanoblumen mit einer spezifischen Kapazität von 1 988,6 F/g bei einem Strom von 11 A/g und einer Kapazitätserhaltungsrate her von 1.500 Zyklen. 94. 0%; Wang Yijing von der Nankai University untersuchte den Wachstumsmechanismus, die Mikrostruktur und die Leistung von NiCo 2 O 4 -Materialien mit unterschiedlichen Morphologien. Tang Ke von der Chongqing University of Arts and Sciences analysierte die Beziehung zwischen äquivalentem Widerstand und Ladestrom. Das Ersatzschaltbildmodell wurde verwendet, um die Variation von Kapazität, Speicherkapazität und Ladeeffizienz von Superkondensatoren mit Strom zu untersuchen. Die Temperaturspeicherleistung von Superkondensatoren wurde diskutiert. Einfluss.

Die Kommerzialisierung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) wird hauptsächlich durch Kosten und Langlebigkeit eingeschränkt. Da der in PEMFC verwendete Katalysator hauptsächlich ein Edelmetall wie Pt ist, ist er kostspielig und wird in der Arbeitsumgebung leicht abgebaut, was zu einer Abnahme der katalytischen Aktivität führt. Der Forscher Shao Zhigang vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften berichtete über einen Pd-Pt-Kern-Hülle-Katalysator, der Pd einführt, um die verwendete Pt-Menge zu reduzieren und die Aktivität des Katalysators zu erhöhen. Darüber hinaus haben Forscher die Wechselwirkung zwischen Metall und Träger verbessert, indem sie Polymerstabilisierung, Oberflächengruppierung und Metalloberflächen-Kohlenstoffcluster-Modifikation verwendet haben, um einen PEMFC-Metallsauerstoffreduktionskatalysator mit hoher Aktivität und hoher Stabilität zu erhalten. Cao Tai vom Beijing Institute of Technology stellte ein leichtes, kostengünstiges und großtechnisches Syntheseverfahren für die Synthese einheitlicher, stickstoffdotierter, bambusförmiger Kohlenstoff-Nanoröhren mit Kobalt-Nanopartikeln an der Spitze vor. Die Produkte haben hervorragende Eigenschaften. Redoxkatalytische Aktivität. Auf Kohlenstoff basierende Katalysatoren und andere Nicht-Platin-Katalysatoren für Brennstoffzellen, die herkömmliche auf Platin basierende Katalysatoren ersetzen können, werden durch hydrothermale Carbonisierung, thermisches Cracken bei hoher Temperatur usw. erhalten und haben eine vergleichbare Leistung wie kommerzielle Platin-Kohlenstoff-Katalysatoren.

Der Lade- und Entladeprozess von Na 0,44 MnO 2 -Material wurde in Dai Kehua von der Northeastern University untersucht. Es wurde gefunden, dass Mn 2+ auf der Oberfläche des Materials bei niedrigem Potential gebildet wurde. Das leitfähige Harz Phenolharz PFM könnte die reversible spezifische Kapazität von reinem Sn-Pulver verbessern. Um ein stabiles Laden und Entladen zu erreichen. Die Zhongnan-Universität Xiao Zhongxing et al. gesintert durch das hydrothermale Verfahren und das Hochtemperatur-Festphasenverfahren, um das Na 0,44 MnO 2 höherer Reinheit zu synthetisieren, und das Metall Natrium wurde als negative Elektrode verwendet, um eine Knopfbatterie mit einer Kapazität von 0,000 zu montieren. 5 C-Zyklus 20 Mal. Die Retentionsrate betrug 98,91 TP2T; Zhang Junxi vom Shanghai Electric Power College synthetisierte NaFePO 4 -Kristalle mit Olivinstruktur, die als Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien verwendet wurden und eine gute elektrochemische Leistung aufwiesen. Associate Professor Deng Jianqiu von der Guilin University of Electronic Technology stellte ein nanolineares Strontiumsulfid durch ein hydrothermales Verfahren her und verwendete es als negatives Elektrodenmaterial für Natriumionenbatterien. Das Material hat eine spezifische Kapazität der ersten Entladung von 552 mAh/g bei 100 mA/g. Nach 55 Zyklen beträgt die Kapazitätsretention 85,51 TP2T. Es wird 40 Mal bei 2 A/g zykliert und kehrt zu 100 mA zurück. Der Strom von g und die spezifische Kapazität der Entladung werden auf 580 mAh/g wiederhergestellt, was anzeigt, dass die Zyklusleistung des negativen Elektrodenmaterials gut ist, und die Struktur kann nach einem großen Stromzyklus stabil gehalten werden.

Die Forschung zu Lithium-Schwefel-Batterien konzentriert sich derzeit auf Elektrodenmaterialien wie poröse Kohlenstoffmaterialien, Verbundmaterialien usw., um die Batteriesicherheit, die Lebensdauer und die Energiedichte zu verbessern. Das von Zhang Hongzhang vom Dalian Institute of Chemical Physics der Chinese Academy of Sciences entwickelte Kohlenstoffmaterial hat ein großes Porenvolumen (> 4,0 cm 3 /g), eine große spezifische Oberfläche (> 1 500 m 2 g), und einen hohen Schwefelgehalt (>70%). Unter der Bedingung eines hohen Schwefelgehalts (3 mg/cm 2 ) beträgt die spezifische spezifische Kapazität einer 0,1 C-Entladung 1200 mAh/g; Professor Chen Yong von der Universität Hainan verwendet Ti 3 C 2 mit einer zweidimensionalen Akkordeonstruktur als positives Elektrodenmaterial. Kombiniert mit Schwefel, um ein S/Ti 2 C 3 -Komposit zu erhalten, erreichte die anfängliche spezifische Entladungskapazität 1.291 mAh/g bei einem Strom von 200 mAh/g, und die reversible spezifische Kapazität des Zyklus betrug immer noch 970 mAh/g.

Der Forscher Zhang Huamin vom Dalian Institute of Chemistry and Physics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften berichtete über den Forschungsfortschritt und die Anwendung der Energiespeichertechnologie für Flüssigbatterien und stellte den Entwicklungsfortschritt von Flüssigbatterieelektrolyten, ionenleitfähigen Membranen ohne Fluorid und High vor spezifische Leistungsdrossel. Und Forschungsergebnisse im Flow-Batteriesystem. Sie entwickelten einen Flow-Batteriestapel der 32-kW-Klasse mit hoher Leistungsdichte, der bei einer Stromdichte von 120 mA/cm 2 mit einer Energieeffizienz von 81,21 TP2T geladen und entladen wurde, was eine großtechnische Produktion ermöglicht, von der 5 MW/10 MWh fließen Batterie Das Energiespeichersystem wurde am Netz implementiert.

Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen stehen nach wie vor im Fokus der Batterieforschung; andere Batterien wie Natrium-Ionen-Batterien, Flow-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien werden ebenfalls entwickelt. Der aktuelle Forschungsschwerpunkt verschiedener Batterietypen liegt nach wie vor in der Entwicklung von Elektrodenmaterialien, um eine höhere Kapazität, Effizienz, Zyklenleistung und Sicherheitsleistung zu erreichen.

Einführung in alle Festelektrolytmaterialien