Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах

Тематики зарубежных научных публикаций
Публикации журнала «Journal of Power Sources» за период с марта 2006 по апрель 2007
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Современные катодные материалы для ЛИА
LiCoO2: 80-90% рынка.
К 2015 г. доля LiCoO2 составит от 10 до 60% по разным прогнозам
LiCo1-xMxO2: 5-7% рынка.
M = Ni, Mn, Al,…
LiMn2O4: 5-7% рынка.
LiFePO4: рынок зарождается.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Краткий обзор по катодным материалам
LiCoO2
+ пологая зарядно-разрядная кривая, высокая эффективность, циклируе-мость, приемлемая ёмкость, малый саморазряд, простота производства.
Направления усовершенствования:
Oптимизация размера кристаллов и геометрии
Hанесение покрытий MgO, Al2O3, AlPO4, ZnO, ZrO2
Легирование по позициям Со: LiNi0,8Co0,2O2 (180мАч/г), LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2,…
Зарядные кривые LiCoO2 и графита. Комбинация кривых даст профиль соответствующего ЛИА.
- высокая цена кобальта, проблема безопасности, фазовые переходы при повышении напряжения или температуры, приводящие к необратимому снижению ёмкости, токсичность кобальтосодержащих материалов.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Оптимизация размеров кристаллов и морфологии LiCoO2
Lee S. // Journal of Power Sources. 2006. vol. 163. 1. P.274
Микрофотографии частиц LiCoO2, полученного стандартным методом (слева) и модифицированного образца (справа), синтезированного в токе CO2.
Уменьшение размера кристаллов активного материала позволяет использовать более высокие токи для заряда и разряда батареи.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Нанесение защитных покрытий на LiCoO2
Chung K.,… // Journal of Power Sources. 2006. vol. 163. 1. P. 185
Покрытие частиц LiCoO2 позволяет изменять состав слоя SEI, увеличивая его ионную проводимость и снижая сопротивление реакции переноса заряда. Защита активного материала от контакта с электролитом стабилизирует структуру LiCoO2 при циклировании, продлевая срок службы.
Разрядные профили LiCoO2
(1) 0.1 мА/см2, без полимерного покрытия
(2) 1.0 мА/см2, без полимерного покрытия
(3) 0.1 мА/см2, полимерное покрытие;
(4) 1.0 мА/см2, полимерное покрытие;
Her L.,... // Journal of Power Sources. 2004. 161. P.1247
Падение ёмкости LiCoO2
(1) LiCoO2 ( от 3,0 до 4,2В);
(2) LiCoO2 (от 3,0 до 4,5В);
(3) отожженный при 800оС LiCoO2 (от 3,0 до 4,5В);
(4) LiCoO2, покрытый ZrO2 (от 3,0 до 4,5В).
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Другие материалы
T. Ohzuku, … // Journal of Power Sources 174 (2007) 449 Li [Ni1/2Mn3/2]O4
LiMn2O4
(c) LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2
(d) LiFePO4
(e) Li [Li1/3Ti5/3]O4
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

LiMn2O4
+ дешевизна (1% от цены LiCoO2), экологичность, высокие токи.
- Плохая циклирумость при повышенных температурах,, малая ёмкость (120мАч/г).
Направления усовершенствования:
Оптимизация размера кристаллов и геометрии, нанесение покрытий.
Легирование по позициям марганца: LiMn1.99Nd0.01O4, Li1.06Mn1.94−xAlxO4, LiMn2−xNixO4.
LiFePO4
+ дешевизна сырья, термостабильность, экологичность, циклируемость, высокая ёмкость (до 170мАч/г), очень безопасен, не требует защитных схем, пологая зарядно- разрядная кривая
- низкий рабочий потенциал, низкая электронная проводимость, сложная процедура синтеза.
Направления усовершенствования:
Минимизация размера кристаллов, создание композитов с углеродом.
Легирование по позициям железа.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Рынки для ЛИА
Основные потребители:
производители мобильных телефонов (доля ЛИА - 100%), производители ноутбуков (100%),
карманные компьютеры и телевизоры (100%),
фото- и видеоаппаратура, системы автономной сигнализации, связи,
спецтехника. Космические и глубоководные аппараты.
потенциальный рынок – гибридные и электромобили.
Призматические и полимерные ЛИА для мобильных телефонов и мини-ноутбуков (0.1-4Ач)
ячейка 18650 (2Ач) отдельно и в батарее для ноутбука
Крупногабаритные ЛИА: 1 кг, 3.6В, 45Ач.
8 кг., 10.8В, 84Ач.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Новые рынки для ЛИА
С заменой LiCoO2 на оливин стоимость катода уменьшается с 50 до 10% стоимости ячейки (*,**), что приведёт к появлению новых рынков для ЛИА:
* A. Ritchie, W. Howard / Journal of Power Sources 162 (2006) 809–812;
** S.D. Gupta, J.K. Jacobs, R. Bhola, Developments in lithium-ion SuperPolymer® batteries for portable power applications, in: Proceedings of the 41st Power Sources Conference, June 2004, pp. 98–100.
Автономные инструменты, аварийное освещение, UPS, медицинское оборудование, электрические велосипеды, скутеры, инвалидные коляски, хранение солнечной энергии (solar, etc.)
Съёмная батарея для ноутбука – до 10 ч. работы
Сборка батарей на заказ
ЛИА типоразмера стандартного стартерного СКА
Стандартный
военный
типоразмер
батарея для электроскутера
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Рынок военной, космической и спец. техники.
Батарея для подводной техники: 924 ЛИА.
Широко распространена практика сборки батареи из сотен малых ЛИА (например, «18650» экономически целесообразно, безопасно).
Примеры:
Батареи для космических аппаратов: 8 ЛИА по 2 Ач.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Сборка литий-ионных аккумуляторов в НИИСТА.
Проект по созданию опытного производства ЛИА.
В результате мы сможем:
Предлагать небольшие партии ЛИА отечественным производителям техники;
Получать заказы на изготовление небольших количеств высокоёмких и высокомощных компактных аккумуляторов различных типоразмеров (наша технология не предполагает жёсткой привязки к установленным габаритам);
Тестировать материалы отечественных производителей в ЛИА.
Рассмотреть возможность производства и экспорта отечественных материалов и компонентов;
Подготовить почву для возможного налаживания крупномасштабного производства ЛИА: получить опыт, выбрать оптимальные материалы,…
Сроки:
Начало проекта: зима 2008 г.
Сдача опытного производства: лето 2008 г.
Запуск линии и изготовление первого ЛИА: осень 2008 г.
Приглашаем к сотрудничеству потребителей ХИТ и производителей материалов!
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)

Приглашаем к сотрудничеству потребителей ХИТ и производителей материалов!
Конечный продукт:
Небольшие партии литий-ионных аккумуляторов (ёмкость одного элемента– до нескольких Ач).
Ячейка собирается в мягком корпусе из фольги с термополимером.
Катодные материалы в литий-ионных аккумуляторах (Тарнопольский В.А.)