WO2016178596A1 - Lithium-ion cell - Google Patents
Lithium-ion cell Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016178596A1 WO2016178596A1 PCT/RU2015/000346 RU2015000346W WO2016178596A1 WO 2016178596 A1 WO2016178596 A1 WO 2016178596A1 RU 2015000346 W RU2015000346 W RU 2015000346W WO 2016178596 A1 WO2016178596 A1 WO 2016178596A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- lithium
- active material
- positions
- doped
- electrode active
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/485—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Definitions
- the invention relates to the electrical industry and can be used in the production of lithium-ion batteries (LIA) and batteries based on them, intended for use as energy storage devices for electric vehicles, alternative energy sources, uninterruptible power supplies, energy recovery systems and equalization network loads.
- LIA lithium-ion batteries
- LIA lithium-ion battery technology
- the traditional material of the negative electrode (anode) in such batteries is carbon, which is capable of reversibly introducing lithium [1]
- the material of the positive electrode (cathode) is lithiated cobalt oxide (lithium cobaltate, lithium-cobalt oxide) LiCo0 2 [2].
- lithiated cobalt oxide lithium cobaltate, lithium-cobalt oxide
- Batteries for electric vehicles and energy should combine such characteristics as energy intensity, power (i.e., ability to quickly charge and resistance to high load currents), a wide range of operating temperatures, long service life and safe operation, therefore, their creation requires the development and application of fundamentally new active electrode materials.
- the theoretical capacity of the richest lithium silicon compound (Li 2 2Si 5 ) reaches 4200 mAh / g calculated on pure silicon or 201 1 mAh / g calculated on the compound Li2 2 Si 5 .
- the main obstacle to the stable operation of the lithium-silicon intercalation electrode is the large volumetric changes that occur during lithium incorporation / extraction cycles. These changes reach 310% of the initial volume of silicon and are the cause of the mechanical instability of the material [9].
- a promising anode material for use in LIA construction is a group of compounds with moderate capacitance values, in which lithium activity and, accordingly, electrode potential have an intermediate value between traditional anode and cathode materials.
- a typical example is lithium titanium spinel, or lithium titanate, Li 4 Ti 5 0 12 [14]. This material has a theoretical capacity of 175 mAh / g and a charge-discharge curve plateau potential of -1.55 V. This potential is much higher than the recovery potentials of most organic solvents, therefore, solid electrolyte films with high resistance are not formed on the surface, and the release lithium metal on the anode is practically eliminated.
- Li 4 Ti 5 0 12 in comparison with silicon and tin compounds is their small volume changes (less than 0.2%) during lithiation and delitration, which guarantees stability during long-term cycling.
- the material has a high conductive properties of lithium ions: the value of specific conductivity is
- lithium-manganese spinel LiMn 2 0 4 [17] non-toxic, cheaper, powerful and safe to use in comparison with lithium cobalt.
- the disadvantages of lithium manganese spinel are the low specific capacitance and its irreversible drop due to dissolution of manganese during cycling, especially at elevated temperatures [6, 7], which makes this material unsuitable for the development of LIB for transport and energy.
- the structure of lithium ferrophosphate molecules causes a number of inherent disadvantages. Due to the specific features of the crystal structure, lithium ions can move only in one dimension [19] during charge and discharge of a battery, and not in three, as in traditional cathode materials based on transition metal oxides. This is the reason for the low conductivity of the cathode material, both ionic and electronic, which, in turn, leads to a lower specific energy (380 Wh / kg).
- lithium ferrophosphate LiFeP0 gives a low potential difference (1.9 V and lower) [22], which negatively affects the specific energy characteristics LIA.
- This increases the mass and dimensions of rechargeable batteries, which is especially critical for electric vehicles, and also increases the cost of 1 kWh of energy stored by batteries due to the need to install more batteries to achieve acceptable voltage and energy levels.
- the objective of the invention was the development of LIA, combining in its design the active material of the negative electrode based on lithium titanate Li 4 Ti 5 0 12 and the active material of the positive electrode, which has high values of electrochemical potential and specific capacity, and at the same time capable of long-term reversible cycling in a wide range of charge-discharge currents and temperatures.
- the use of such a combination of electrode materials makes it possible to design LIA-based energy storage devices suitable for use in electric transport, network load balancing systems, emergency power supply and uninterruptible power supply.
- the technical result is the creation of a design of highly energy-intensive LIA with increased power, safety and stability during cycling.
- the specified technical result is achieved in that the battery design uses a combination of the active material of the negative electrode based on lithium titanate Li 4 Ti 5 0i 2 and the active material of the positive electrode based on lithium vanadium phosphate (lithium phosphovanadate) Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 .
- Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 is comparable to oxide active materials, and in terms of safety, due to its phosphate structure, it is close to LiFeP0 4 , however, it has a number of distinctive features that make it advantageous. which include: - high theoretical value of specific capacity - 198 mAh / g and the ability to achieve practical values of specific capacity close to theoretical;
- nasicon-like Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 gives a potential difference of the order of 2.8 V, and monoclinic Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 - of the order of 3.3 V;
- the active material of the negative electrode based on Li 4 Ti 5 0i 2 is doped with chromium at the positions of titanium and is a compound of the composition Li 4 Ti -x Cr x Oi 2 , where 0 ⁇ x ⁇ 0.2. Partial substitution of titanium by chromium in the indicated amounts causes a change in the structure of the crystal lattice of the active material, which leads to an increase in the utilization factor, as a result, the preservation of capacity during cycling increases by 1.3%.
- Modification of the structure of lithium phosphovanadate in this way leads to an improvement in the electrical conductivity of the active material, as a result of which its discharge capacity and structural stability increase, which leads to an increase in the specific energy, power, and resource of LIB.
- FIG. Figure 3 shows an increase in its discharge capacity during cycling with a current of 10–10 s.
- the indicated technical result is also achieved by modifying the active materials used in the LIA design by applying a conductive carbon coating to the surface of their particles.
- the electrical resistance at the interface between the crystals of the active substance decreases, which leads to an increase in the surface conductivity of the active material, which, in turn, helps to improve its characteristics such as specific capacitance, coefficient of utilization of the active material. terial, power and cycleability.
- the result is also achieved through the use of starch as a carbon precursor, which during the synthesis of the active material forms a viscous medium that promotes the formation of particles of a particularly small size.
- FIG. Figure 4 shows experimental data showing the ability of a composite of lithium-vanadium phosphate with carbon (1 zU 2 (P0 4 ) s / C) to cycle with extremely high currents (up to 320 ° C).
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
ЛИТИЙ-ИОННЫЙ АККУМУЛЯТОР LITHIUM ION BATTERY
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть ис- пользовано при производстве литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и батарей на их основе, предназначенных для использования в качестве накопителей энергии для электротранспорта, альтернативной энергетики, источников бесперебойного питания, систем рекуперации элек- троэнергии и выравнивания сетевых нагрузок. The invention relates to the electrical industry and can be used in the production of lithium-ion batteries (LIA) and batteries based on them, intended for use as energy storage devices for electric vehicles, alternative energy sources, uninterruptible power supplies, energy recovery systems and equalization network loads.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND
Значительный прогресс в технологии литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) сделал ав- тономные источники электропитания этого типа наиболее энергоемкими среди перезаря- жаемых электрохимических систем. Традиционным материалом отрицательного электрода (анода) в таких аккумуляторах является углерод, способный обратимо внедрять литий [1], а материалом положительного электрода (катода) - литерованный оксид кобальта (кобальтат лития, оксид лития-кобальта) LiCo02 [2]. Несмотря на то, что ЛИА системы «углерод - ок- сид лития-кобальта» в настоящее время занимают значительную часть рынка источников питания для портативной электроники, их применение для питания транспорта и энергетики невозможно из-за ряда присущих им недостатков. Недостатками литированного углерода как анодного материала ЛИА являются [3-5]: Significant progress in lithium-ion battery technology (LIA) has made autonomous power supplies of this type the most energy-intensive among rechargeable electrochemical systems. The traditional material of the negative electrode (anode) in such batteries is carbon, which is capable of reversibly introducing lithium [1], and the material of the positive electrode (cathode) is lithiated cobalt oxide (lithium cobaltate, lithium-cobalt oxide) LiCo0 2 [2]. Despite the fact that LIA systems “carbon - lithium-cobalt oxide” currently occupy a significant part of the market for power supplies for portable electronics, their use for powering transport and energy is impossible due to a number of inherent disadvantages. The disadvantages of lithiated carbon as the anode material of LIA are [3-5]:
- вероятность теплового разгона и воспламенения при повышении температуры; - the probability of thermal acceleration and ignition with increasing temperature;
- резкая деградация емкости при повышенной скорости заряда/разряда; - sharp degradation of the capacitance at an increased charge / discharge rate;
- очень малая остаточная емкость и невозможность заряда аккумуляторов при отрицатель- ных температурах. - a very small residual capacity and the impossibility of charging the batteries at negative temperatures.
Недостатками кобальтата лития при использовании в качестве катодного материала ЛИА являются [5-7]: The disadvantages of lithium cobaltate when used as a cathode material LIA are [5-7]:
- пожароопасность при высоких температурах; - fire hazard at high temperatures;
- деградация емкости при высоких потенциалах, температурах и скоростях циклирования; - degradation of capacity at high potentials, temperatures and cycling rates;
- малый срок службы (не более 800 циклов). - short service life (no more than 800 cycles).
Аккумуляторы для электротранспорта и энергетики должны сочетать в себе такие ха- рактеристики, как энергоемкость, мощность (т.е. способность к быстрому заряду и стойкость к воздействию высоких нагрузочных токов), широкий интервал рабочих температур, дли- тельный срок службы и безопасность эксплуатации, поэтому их создание требует разработки и применения принципиально новых активных электродных материалов. Известны анодные материалы на базе сплавов лития с кремнием [8]. Теоретическая емкость наиболее богатого литием соединения кремния (Li22Si5) достигает 4200 мА-ч/г в расчете на чистый кремний или 201 1 мА-ч/г в расчете на соединение Li22Si5. Главным пре- пятствием стабильной работы литий-кремниевого интеркаляционного электрода являются большие объемные изменения, происходящие в ходе циклов внедрения/экстракции лития. Эти изменения достигают 310% исходного объема кремния и являются причиной механиче- ской нестойкости материала [9]. Batteries for electric vehicles and energy should combine such characteristics as energy intensity, power (i.e., ability to quickly charge and resistance to high load currents), a wide range of operating temperatures, long service life and safe operation, therefore, their creation requires the development and application of fundamentally new active electrode materials. Known anode materials based on lithium alloys with silicon [8]. The theoretical capacity of the richest lithium silicon compound (Li 2 2Si 5 ) reaches 4200 mAh / g calculated on pure silicon or 201 1 mAh / g calculated on the compound Li2 2 Si 5 . The main obstacle to the stable operation of the lithium-silicon intercalation electrode is the large volumetric changes that occur during lithium incorporation / extraction cycles. These changes reach 310% of the initial volume of silicon and are the cause of the mechanical instability of the material [9].
Известны анодные материалы на основе сплавов лития с оловом [10]. Находясь в од- ной подгруппе периодической системы с кремнием, олово образует схожие кристаллические структуры и аналогичные по стехиометрии соединения. Оно также сплавляется с литием с образованием Li22Sn5. Однако олово имеет и больший по сравнению с кремнием объем эле- ментарной ячейки, в связи с чем оно меньше страдает от объемных изменений [11]. Недос- татком предлагаемого решения является то, что олово вчетверо тяжелее кремния, и удельная интеркалируемая емкость Li22Sn5 во столько же раз ниже - 990 мА-ч/г против 4200 мА-ч/г у Li22Si5 [l l]. Known anode materials based on lithium alloys with tin [10]. Being in the same subgroup of the periodic system with silicon, tin forms similar crystalline structures and compounds similar in stoichiometry. It also fuses with lithium to form Li 22 Sn 5 . However, tin also has a larger unit cell volume than silicon, and therefore it suffers less from volume changes [11]. The disadvantage of the proposed solution is that tin is four times heavier than silicon, and the specific intercalated capacity of Li 22 Sn 5 is as much lower — 990 mAh / g versus 4200 mAh / g for Li 22 Si 5 [ll].
Возможности повышения удельной емкости углеграфитовых материалов в настоящее время исчерпаны и соответствуют наиболее богатому литием соединению LiC6 (372 мА-ч/г). Перспективным решением проблемы ограниченной емкости литерованного углерода явля- ется использование литерованных композитов Si-C, Sn-C или Si-Sn-C [12]. Недостатком данного решения является высокая активность лития в вышеперечисленных материалах, обусловливающая их недостаточную безопасность [13]. The possibilities of increasing the specific capacity of carbon-graphite materials have now been exhausted and correspond to the most lithium-rich compound LiC 6 (372 mAh / g). A promising solution to the problem of limited carbon letter capacity is the use of Si-C, Sn-C, or Si-Sn-C letter composites [12]. The disadvantage of this solution is the high activity of lithium in the above materials, which determines their insufficient safety [13].
Перспективными анодными материалами для применения в конструкции ЛИА явля- ется группа соединений с умеренными значениями емкости, у которых активность лития и, соответственно, электродный потенциал имеют промежуточное значение между традицион- ными анодными и катодными материалами. Типичным примером является литий-титановая шпинель, или титанат лития, Li4Ti5012 [14]. Данный материал имеет теоретическую ёмкость 175 мА-ч/г и потенциал плато зарядно-разрядной кривой -1,55 В. Этот потенциал намного выше потенциалов восстановления большинства органических растворителей, поэтому на поверхности материала не образуется твердоэлектролитных плёнок с высоким сопротивле- нием, а выделение металлического лития на аноде практически исключается. Другим пре- имуществом Li4Ti5012 по сравнению с соединениями кремния и олова являются малые объ- ёмные изменения (менее 0,2%) при литировании и делитировании, что гарантирует стабиль- ность при длительном циклировании. Кроме всего перечисленного, материал обладает высо- кими проводящими свойствами по ионам лития: значение удельной проводимости составля-A promising anode material for use in LIA construction is a group of compounds with moderate capacitance values, in which lithium activity and, accordingly, electrode potential have an intermediate value between traditional anode and cathode materials. A typical example is lithium titanium spinel, or lithium titanate, Li 4 Ti 5 0 12 [14]. This material has a theoretical capacity of 175 mAh / g and a charge-discharge curve plateau potential of -1.55 V. This potential is much higher than the recovery potentials of most organic solvents, therefore, solid electrolyte films with high resistance are not formed on the surface, and the release lithium metal on the anode is practically eliminated. Another advantage of Li 4 Ti 5 0 12 in comparison with silicon and tin compounds is their small volume changes (less than 0.2%) during lithiation and delitration, which guarantees stability during long-term cycling. In addition to all of the above, the material has a high conductive properties of lithium ions: the value of specific conductivity is
8 1 1 8 1 1
ет 5,8 · 10" Ом" -см" уже при комнатной температуре [15]. is 5.8 x 10 "ohms" -see "even at room temperature [15].
Для создания работоспособной конструкции ЛИА с оптимальным сочетанием энер- гии, мощности, срока службы и безопасности, необходим подбор активного материала по- ложительного электрода, имеющего достаточно высокий электродный потенциал, но в то же время лишенного всех недостатков кобальтата лития. В определенной мере этим требовани- ям соответствуют слоистые смешанные литированные оксиды никеля, кобальта и марганца состава LiNi1-x-yCoxMny02 по патенту [16]. Этот материал обладает сопоставимой с LiCo02 энергоемкостью, превосходя его по мощности, безопасности и стабильности при циклирова- нии. Недостатком данного материала является резкое падение емкости при циклировании из- за роста сопротивления реакции переноса заряда на поверхности материала вследствие его деградации [6]. Кроме того, данные реакционной калориметрии [5] свидетельствуют о хотя и значительно сниженной, но достаточно определенной вероятности возникновения теплового разгона в ЛИА на основе данного активного материала. To create a workable LIA design with an optimal combination of energy, power, service life and safety, it is necessary to select the active material of the positive electrode, which has a sufficiently high electrode potential, but at the same time devoid of all the disadvantages of lithium cobaltate. To a certain extent, these requirements are met by layered mixed lithiated oxides of nickel, cobalt and manganese of the composition LiNi 1-xy Co x Mn y 0 2 according to the patent [16]. This material has an energy intensity comparable to LiCo0 2 , surpassing it in power, safety and stability during cycling. The disadvantage of this material is a sharp drop in capacitance during cycling due to an increase in the resistance of the charge transfer reaction on the surface of the material due to its degradation [6]. In addition, the data of reaction calorimetry [5] indicate that the probability of occurrence of thermal acceleration in the LIA based on this active material is although significantly reduced, but rather.
Известен материал положительного электрода ЛИА на основе литий-марганцевой шпинели LiMn204 [17], нетоксичный, более дешевый, мощный и безопасный в эксплуатации по сравнению с кобальтатом лития. Недостатками литий-марганцевой шпинели являются невысокое значение удельной емкости и ее необратимое падение вследствие растворения марганца в процессе циклирования, особенно при повышенной температуре [6, 7], что делает данный материал неподходящим при разработке ЛИА для транспорта и энергетики. Known material of the positive electrode LIA based on lithium-manganese spinel LiMn 2 0 4 [17], non-toxic, cheaper, powerful and safe to use in comparison with lithium cobalt. The disadvantages of lithium manganese spinel are the low specific capacitance and its irreversible drop due to dissolution of manganese during cycling, especially at elevated temperatures [6, 7], which makes this material unsuitable for the development of LIB for transport and energy.
Известен материал положительного электрода ЛИА на основе феррофосфата лития LiFeP04 [18], обладающий такими преимуществами, как нетоксичность, высокая емкость, стабильность и безопасность при циклировании благодаря тому, что в структуре фосфата кислород химически связан сильнее, чем в структуре оксида. С другой стороны, строение молекул феррофосфата лития обусловливает ряд присущих ему недостатков. Из-за особен- ностей кристаллической структуры ионы лития при заряде и разряде аккумулятора могут передвигаться только в одном измерении [19], а не в трех, как в традиционных катодных ма- териалах на основе оксидов переходных металлов. Это является причиной низкой проводи- мости катодного материала, как ионной, так и электронной, что, в свою очередь, обусловли- вает пониженное значение удельной энергии (380 Вт-ч/кг). Кроме того, из-за низкой прово- димости феррофосфата лития наблюдается значительное снижение емкости и мощности ЛИА в процессе эксплуатации при низких температурах [20, 21]. Кроме того, в паре с тита- натом лития Li4Ti5012 феррофосфат лития LiFeP0 дает низкую разность потенциалов (1,9 В и ниже) [22], что отрицательно сказывается на удельных энергетических характеристиках ЛИА. Это, в свою очередь, увеличивает массу и габариты аккумуляторных батарей, что осо- бенно критично для электротранспорта, а также повышает стоимость 1 КВт-ч запасаемой ба- тареями энергии вследствие необходимости установки большего количества аккумуляторов для достижения приемлемых уровней напряжения и энергии. The known material of the positive electrode LIA based on lithium ferrophosphate LiFeP0 4 [18], which has such advantages as non-toxicity, high capacity, stability and safety during cycling due to the fact that oxygen is chemically more strongly bonded in the phosphate structure than in the oxide structure. On the other hand, the structure of lithium ferrophosphate molecules causes a number of inherent disadvantages. Due to the specific features of the crystal structure, lithium ions can move only in one dimension [19] during charge and discharge of a battery, and not in three, as in traditional cathode materials based on transition metal oxides. This is the reason for the low conductivity of the cathode material, both ionic and electronic, which, in turn, leads to a lower specific energy (380 Wh / kg). In addition, due to the low conductivity of lithium ferrophosphate, there is a significant decrease in the capacity and power of LIB during operation at low temperatures [20, 21]. In addition, together with lithium titanate Li 4 Ti 5 0 12, lithium ferrophosphate LiFeP0 gives a low potential difference (1.9 V and lower) [22], which negatively affects the specific energy characteristics LIA. This, in turn, increases the mass and dimensions of rechargeable batteries, which is especially critical for electric vehicles, and also increases the cost of 1 kWh of energy stored by batteries due to the need to install more batteries to achieve acceptable voltage and energy levels.
Наиболее близким к заявляемому аккумулятору является решение по заявке [23], со- гласно которому для создания аккумулятора с высокой энергоемкостью и мощностью пред- лагается использовать сочетание титаната лития Li4Ti50i2 в качестве материала отрицатель- ного электрода и фосфата лития-кобальта LiCoP04 в роли материала положительного элек- трода. Недостатком данного решения является невозможность создания стабильно работаю- щего аккумулятора данной электрохимической системы на настоящем этапе развития техни- ки вследствие низких значений разрядной емкости, необратимых потерь лития и ускоренно- го падения емкости в процессе циклирования и связанного с этим неприемлемо малого ре- сурса 1 Со04-электрода (10 циклов) [24]. Closest to the claimed battery is the solution according to the application [23], according to which it is proposed to use a combination of lithium titanate Li 4 Ti 5 0i2 as a negative electrode material and lithium-cobalt phosphate LiCoP0 to create a battery with high energy intensity and power 4 as a positive electrode material. The disadvantage of this solution is the impossibility of creating a stably working battery of this electrochemical system at the present stage of technology development due to low discharge capacitance, irreversible lithium losses and an accelerated drop in capacitance during cycling and the associated unacceptably small 1 Co0 resource 4 electrodes (10 cycles) [24].
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей заявляемого изобретения являлась разработка ЛИА, сочетающего в своей конструкции активный материал отрицательного электрода на основе титаната лития Li4Ti5012 и активный материал положительного электрода, обладающий высокими значе- ниями электрохимического потенциала и удельной емкости, и в то же время способный к длительному обратимому циклированию в широком интервале зарядно-разрядных токов и температур. Применение подобного сочетания электродных материалов позволяет сконст- руировать накопители энергии на основе ЛИА, пригодные для использования в электро- транспорте, системах выравнивания сетевых нагрузок, аварийного энергоснабжения и бес- перебойного питания. The objective of the invention was the development of LIA, combining in its design the active material of the negative electrode based on lithium titanate Li 4 Ti 5 0 12 and the active material of the positive electrode, which has high values of electrochemical potential and specific capacity, and at the same time capable of long-term reversible cycling in a wide range of charge-discharge currents and temperatures. The use of such a combination of electrode materials makes it possible to design LIA-based energy storage devices suitable for use in electric transport, network load balancing systems, emergency power supply and uninterruptible power supply.
Техническим результатом является создание конструкции высокоэнергоемких ЛИА с повышенными мощностью, безопасностью и стабильностью при циклировании. The technical result is the creation of a design of highly energy-intensive LIA with increased power, safety and stability during cycling.
Указанный технический результат достигается тем, что в конструкции аккумулятора применяется сочетание активного материала отрицательного электрода на основе титаната лития Li4Ti50i2 и активного материала положительного электрода на основе фосфата лития- ванадия (фосфованадата лития) Li3V2(P04)3. По уровню удельной энергии Li3V2(P04)3 сопос- тавим с оксидными активными материалами, а по уровню безопасности, благодаря фосфат- ной структуре, он близок к LiFeP04, однако имеет ряд отличительных особенностей, обу- словливающих его преимущества, к числу которых относятся: - высокое теоретическое значение удельной емкости - 198 мА-ч/г и возможность достижения практических значений удельной емкости, близких к теоретическому; The specified technical result is achieved in that the battery design uses a combination of the active material of the negative electrode based on lithium titanate Li 4 Ti 5 0i 2 and the active material of the positive electrode based on lithium vanadium phosphate (lithium phosphovanadate) Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 . In terms of specific energy, Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 is comparable to oxide active materials, and in terms of safety, due to its phosphate structure, it is close to LiFeP0 4 , however, it has a number of distinctive features that make it advantageous. which include: - high theoretical value of specific capacity - 198 mAh / g and the ability to achieve practical values of specific capacity close to theoretical;
- более высокое среднее напряжение на разряде - 4,8 В отн. лития для моноклинной струк- турной модификации и 4,3 В для ромбоэдрического (насиконоподобного) структурного ти- па. Таким образом, в сочетании с титанатом лития насиконоподобный Li3V2(P04)3 дает раз- ность потенциалов порядка 2,8 В, а моноклинный Li3V2(P04)3 - порядка 3,3 В; - higher average discharge voltage - 4.8 V rel. lithium for monoclinic structural modification and 4.3 V for rhombohedral (nasicon-like) structural type. Thus, in combination with lithium titanate, nasicon-like Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 gives a potential difference of the order of 2.8 V, and monoclinic Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 - of the order of 3.3 V;
- повышенный циклический ресурс - до 2500 циклов заряда-разряда; - increased cyclic life - up to 2500 charge-discharge cycles;
- высокая удельная мощность - 2000 Вт/кг; - high specific power - 2000 W / kg;
- высокие значения разрядных токов - более 40С. - high values of discharge currents - more than 40C.
Результаты испытаний макетов ЛИА системы Li4Ti50!2-Li3V2(P04)3 показывают их приемлемую работоспособность и циклируемость (фиг. 1 и 2). The test results of the prototypes of the LIA system Li 4 Ti 5 0 ! 2 -Li 3 V 2 (P0 4 ) 3 show their acceptable performance and cycling (Fig. 1 and 2).
Поставленная задача решается также тем, что активный материал отрицательного электрода на основе Li4Ti50i2 допирован хромом по позициям титана и представляет собой соединение состава Li4Ti -xCrxOi2, где 0 < х < 0,2. Частичное замещение титана хромом в указанных количествах вызывает изменение структуры кристаллической решетки активного материала, приводящее к увеличению коэффициента использования, в результате сохран- ность емкости в ходе циклирования возрастает на 1,3%. The problem is also solved by the fact that the active material of the negative electrode based on Li 4 Ti 5 0i 2 is doped with chromium at the positions of titanium and is a compound of the composition Li 4 Ti -x Cr x Oi 2 , where 0 <x <0.2. Partial substitution of titanium by chromium in the indicated amounts causes a change in the structure of the crystal lattice of the active material, which leads to an increase in the utilization factor, as a result, the preservation of capacity during cycling increases by 1.3%.
Обозначенная задача также решается за счет того, что активный материал положи- тельного электрода допирован натрием по позициям лития, одним или несколькими метал- лами из группы, содержащей магний, алюминий, иттрий и лантан по позициям ванадия, фтором или хлором по позициям фосфата, и представляет собой соединение состава Li3_ xNaxV2_yMy(P04)3-zHalz/C, где М - один или несколько металлов из группы, содержащей Mg, А1, Y, La; Hal = F, CI; 0 < х < 0,1 ; 0 < у < 0,2; 0 < z < 0,16. Модификация структуры фосфова- надата лития указанным путем приводит к улучшению электропроводности активного мате- риала, в результате чего возрастают его разрядная емкость и структурная стабильность, что ведет к увеличению удельной энергии, мощности и ресурса ЛИА. В качестве примера поло- жительного воздействия допирования фосфата лития-ванадия магнием на фиг. 3 показано увеличение его разрядной емкости при циклировании током ЮС. The indicated problem is also solved due to the fact that the active material of the positive electrode is doped with sodium at the positions of lithium, one or more metals from the group consisting of magnesium, aluminum, yttrium and lanthanum at the positions of vanadium, fluorine or chlorine at the positions of phosphate, and represents a compound of the composition Li 3 _ x Na x V 2 _ y M y (P0 4 ) 3-z Hal z / C, where M is one or more metals from the group consisting of Mg, A1, Y, La; Hal = F, CI; 0 <x <0.1; 0 <y <0.2; 0 <z <0.16. Modification of the structure of lithium phosphovanadate in this way leads to an improvement in the electrical conductivity of the active material, as a result of which its discharge capacity and structural stability increase, which leads to an increase in the specific energy, power, and resource of LIB. As an example of the beneficial effects of doping lithium vanadium phosphate with magnesium in FIG. Figure 3 shows an increase in its discharge capacity during cycling with a current of 10–10 s.
Обозначенный технический результат достигается также за счет модифицирования применяемых в конструкции ЛИА активных материалов путем нанесения на поверхность их частиц проводящего углеродного покрытия. В результате уменьшается электрическое сопро- тивление на границе кристаллов активного вещества, что ведет к увеличению поверхностной электропроводности активного материала, что, в свою очередь, способствует улучшению таких его характеристик, как удельная емкость, коэффициент использования активного ма- териала, мощность и циклируемость. Результат также достигается за счет использования крахмала в качестве углеродного прекурсора, который при синтезе активного материала об- разует вязкую среду, способствующую образованию частиц особо малого размера. В качест- ве иллюстрации положительного воздействия обозначенного технического решения на свой- ства активного материала на фиг. 4 приведены экспериментальные данные, показывающие способность композита фосфата лития-ванадия с углеродом (1 зУ2(Р04)з/С) к циклированию экстремально высокими токами (до 320С). The indicated technical result is also achieved by modifying the active materials used in the LIA design by applying a conductive carbon coating to the surface of their particles. As a result, the electrical resistance at the interface between the crystals of the active substance decreases, which leads to an increase in the surface conductivity of the active material, which, in turn, helps to improve its characteristics such as specific capacitance, coefficient of utilization of the active material. terial, power and cycleability. The result is also achieved through the use of starch as a carbon precursor, which during the synthesis of the active material forms a viscous medium that promotes the formation of particles of a particularly small size. As an illustration of the positive impact of the indicated technical solution on the properties of the active material in FIG. Figure 4 shows experimental data showing the ability of a composite of lithium-vanadium phosphate with carbon (1 zU 2 (P0 4 ) s / C) to cycle with extremely high currents (up to 320 ° C).
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117203 | 2015-05-05 | ||
| RU2015117203A RU2608598C2 (en) | 2015-05-05 | 2015-05-05 | Lithium-ion accumulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2016178596A1 true WO2016178596A1 (en) | 2016-11-10 |
Family
ID=57217669
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2015/000346 Ceased WO2016178596A1 (en) | 2015-05-05 | 2015-06-02 | Lithium-ion cell |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2608598C2 (en) |
| WO (1) | WO2016178596A1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109473670A (en) * | 2018-12-18 | 2019-03-15 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | Preparation method, product and application of fluorine-modified lithium titanate as negative electrode material for lithium ion secondary battery |
| CN109755568A (en) * | 2019-02-27 | 2019-05-14 | 湖北锂诺新能源科技有限公司 | The preparation method of potassium and cobalt codope fluorophosphoric acid vanadium lithium anode material |
| CN110224134A (en) * | 2019-07-24 | 2019-09-10 | 卢昌琴 | A kind of anode material for lithium-ion batteries and preparation method thereof |
| CN110364718A (en) * | 2019-07-24 | 2019-10-22 | 卢昌琴 | A kind of positive electrode and preparation method thereof with three-dimensional conductive structure for lithium ion battery |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006221847A (en) * | 2005-02-08 | 2006-08-24 | Sii Micro Parts Ltd | Lithium secondary cell |
| US20090017364A1 (en) * | 2007-01-18 | 2009-01-15 | Altairnano, Inc. | Methods for improving lithium ion battery safety |
| CN102468515A (en) * | 2010-11-05 | 2012-05-23 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Lithium ion battery and preparation method thereof |
| CN103456932A (en) * | 2012-05-27 | 2013-12-18 | 湖南省正源储能材料与器件研究所 | Preparation method of energy storage material |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454755C1 (en) * | 2008-10-22 | 2012-06-27 | ЭлДжи КЕМ, ЛТД. | Cathode mixture with improved efficiency and electrode specific energy |
-
2015
- 2015-05-05 RU RU2015117203A patent/RU2608598C2/en active
- 2015-06-02 WO PCT/RU2015/000346 patent/WO2016178596A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006221847A (en) * | 2005-02-08 | 2006-08-24 | Sii Micro Parts Ltd | Lithium secondary cell |
| US20090017364A1 (en) * | 2007-01-18 | 2009-01-15 | Altairnano, Inc. | Methods for improving lithium ion battery safety |
| CN102468515A (en) * | 2010-11-05 | 2012-05-23 | 海洋王照明科技股份有限公司 | Lithium ion battery and preparation method thereof |
| CN103456932A (en) * | 2012-05-27 | 2013-12-18 | 湖南省正源储能材料与器件研究所 | Preparation method of energy storage material |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109473670A (en) * | 2018-12-18 | 2019-03-15 | 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司 | Preparation method, product and application of fluorine-modified lithium titanate as negative electrode material for lithium ion secondary battery |
| CN109755568A (en) * | 2019-02-27 | 2019-05-14 | 湖北锂诺新能源科技有限公司 | The preparation method of potassium and cobalt codope fluorophosphoric acid vanadium lithium anode material |
| CN110224134A (en) * | 2019-07-24 | 2019-09-10 | 卢昌琴 | A kind of anode material for lithium-ion batteries and preparation method thereof |
| CN110364718A (en) * | 2019-07-24 | 2019-10-22 | 卢昌琴 | A kind of positive electrode and preparation method thereof with three-dimensional conductive structure for lithium ion battery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2608598C2 (en) | 2017-01-23 |
| RU2015117203A (en) | 2016-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110959207B (en) | Electrode with silicon oxide active material for lithium ion battery realizing high capacity, high energy density and long cycle life performance | |
| JP5235282B2 (en) | Cathode active material and battery for non-aqueous electrolyte secondary battery | |
| CN101908625B (en) | Composite for li-ion cells and preparation process thereof | |
| CN103201883B (en) | High power capacity alloy anode and the lithium ion electrochemical cells comprising it | |
| JP5099168B2 (en) | Lithium ion secondary battery | |
| JP2013539594A (en) | Extremely long-term cycling of lithium-ion batteries using lithium-rich cathode materials | |
| KR100894608B1 (en) | A positive electrode using an olivine positive electrode active material and a secondary battery including the positive electrode | |
| CN101615692A (en) | Rechargeable lithium battery | |
| JP6576476B2 (en) | Na-doped and Nb-doped, W-doped and / or Mo-doped HE-NCM | |
| CN111247672A (en) | Lithium secondary battery with long service life and ultra-high energy density | |
| CN107004910A (en) | Anode material and its preparation and application for lithium ion battery | |
| CN112038590B (en) | Novel solid-state battery and positive electrode material thereof | |
| KR102155025B1 (en) | Deposition of LiF on Li metal surface and Li secondary battery using thereof | |
| RU2608598C2 (en) | Lithium-ion accumulator | |
| US10923710B2 (en) | Electrode material for a lithium-ion battery | |
| US20210074999A1 (en) | Systems and Methods of Making Solid-State Batteries and Associated Solid-State Battery Anodes | |
| WO2013129376A1 (en) | Active material for non-aqueous electrolyte secondary cell, electrode for non-aqueous electrolyte secondary cell, non-aqueous electrolyte secondary cell, and method for producing active material for non-aqueous electrolyte secondary cell | |
| Nanda et al. | High-capacity electrode materials for electrochemical energy storage: Role of nanoscale effects | |
| US20150050529A1 (en) | Elevated Temperature Li/Metal Battery System | |
| Peng et al. | Basics of Lithium‐Ion Battery Technology | |
| US11532851B2 (en) | Si-anode-based semi-solid cells with solid separators | |
| CN116314828A (en) | Sodium ion battery cathode additive | |
| JP5766009B2 (en) | Negative electrode active material, production method thereof, and negative electrode and lithium battery employing the same | |
| CN115699354A (en) | Cathode active material and lithium ion battery having the same | |
| CN115516664A (en) | Battery with a battery cell |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15891334 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15891334 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |