При проектировании аккумуляторов и выборе материалов многие инженеры отдают предпочтение малым размерам частиц, особенно на этапе исследований и разработок. Малые размеры частиц обладают рядом преимуществ, но также сопряжены с определенными трудностями. Чем меньше размер частиц, тем сложнее их производство, тем выше стоимость и тем ниже производительность процесса. Часто предпочтение отдается более равномерному распределению размеров частиц. Уменьшение размера частиц (до наноразмеров) материалов для литиевых аккумуляторов, особенно активных материалов, имеет существенные преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать в зависимости от конкретных требований к применению (таких как плотность энергии, удельная мощность, срок службы или стоимость). Ниже представлен подробный анализ этих преимуществ и недостатков.
I. Преимущества
1. Сокращает путь диффузии ионов лития
Мелкие частицы уменьшают расстояние твердофазной диффузии ионов лития внутри частиц активного материала (от поверхности частицы к ядру).
Преимущества включают значительное улучшение характеристик заряда и разряда (более быстрая зарядка и разрядка), снижение поляризации при высоких токах и увеличение плотности мощности. Это критически важно для аккумуляторов и приложений, требующих быстрой зарядки/разрядки.
2. Увеличивает удельную площадь поверхности
Более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности на единицу массы или объёма. Большее количество контактов электрод/электролит ускоряет перенос заряда и повышает скоростные характеристики. Более тесный контакт способствует формированию более полной электронной проводящей сети, снижая внутреннее сопротивление. Наночастицы могут лучше рассеивать напряжение, возникающее в материалах с большими изменениями объёма во время зарядки/разрядки (например, кремниевых анодов), повышая стабильность цикла.
3. Улучшает теоретическую загрузку мощностей
В материалах с низкой собственной ионной/электронной проводимостью (например, литий-железо-фосфате (LFP)) реакции могут протекать не полностью внутри более крупных частиц. Наноразмеры приближают материал к полному участию в реакциях, позволяя ему достичь своей теоретической ёмкости.
II. Недостатки
1. Усиление побочных реакций из-за большой площади поверхности
Большая удельная площадь поверхности означает больший контакт с электролитом, что приводит к ряду проблем. Это приводит к повышенному расходу электролита и активного лития, образованию более толстой и нестабильной плёнки SEI (межфазный слой твёрдого электролита) или CEI (межфазный слой катодного электролита), что снижает эффективность первого кулонового разряда и ускоряет деградацию аккумулятора в течение цикла. Побочные реакции могут приводить к образованию газа, что приводит к расширению аккумулятора, повышению внутреннего давления и потенциальной угрозе безопасности. Большая активная поверхность может катализировать разложение электролита, что снижает термическую стабильность материала.
2. Уменьшенная плотность уплотнения и уплотнения
Мелкие частицы, особенно наночастицы, обладают низкой эффективностью укладки и создают больше зазоров между ними. Более низкая плотность укладки и уплотнения снижает объёмную плотность энергии аккумулятора. Это представляет собой проблему для приложений, требующих высокой плотности энергии, таких как бытовая электроника и электромобили с большим запасом хода.
3. Ухудшение производительности обработки
Наночастицы с большой площадью поверхности склонны к агломерации, что затрудняет их равномерное распределение. Это приводит к высокой вязкости суспензии и низкой стабильности. Сложности с нанесением покрытия на электрод: Высокая вязкость может затруднять равномерность покрытия, приводя к образованию трещин и потере порошка. Микропоры, образованные наночастицами, меньше по размеру и более извилистые, что затрудняет проникновение электролита в электрод по всей его длине, что влияет на его характеристики.
4. Значительное увеличение затрат
Производство наноматериалов (например, специальное измельчение, химический синтез, распылительный пиролиз) более сложно, энергозатратно и менее масштабируемо, что приводит к более высоким затратам на сырье. Кроме того, строгие требования к процессу диспергирования, необходимые для этих материалов, увеличивают производственные затраты.
5. Возможное снижение электронной проводимости
Увеличение количества точек контакта между частицами (при уменьшении площади контакта) увеличивает сопротивление потоку электронов между ними. Хотя добавление большего количества проводящих агентов может компенсировать это, оно может дополнительно снизить плотность энергии и увеличить стоимость.
III. Краткое изложение соображений относительно размера частиц
| Свойство | Преимущества | Недостатки |
| Уменьшенный размер частиц (наномасштаб) | Сверхвысокая производительность (быстрая зарядка/разрядка) | Серьезные побочные реакции на границе раздела (низкая начальная эффективность, короткий срок службы, высокое газообразование) |
| Высокая плотность мощности | Низкая плотность набивки/упаковки (низкая объемная плотность энергии) | |
| Улучшенное использование материалов с низкой проводимостью | Трудное диспергирование суспензии, проблемы с покрытием, плохое смачивание | |
| Увеличение срока службы хрупких материалов (рассеивание напряжений) | Высокая стоимость (сырье и производство) | |
| Риск провала агломерации | ||
| Больший размер частиц (микромасштаб) | Высокая плотность набивки/упаковки (высокая объемная плотность энергии) | Низкая скорость зарядки/разрядки |
| Минимальные побочные реакции на границе раздела (высокая начальная эффективность, длительный срок службы) | Сильная поляризация при сильном токе | |
| Хорошие технологические характеристики (легкое диспергирование, гладкое покрытие) | Низкое использование материалов с низкой проводимостью | |
| Относительно более низкая стоимость | Материалы, подверженные разрушению при больших изменениях объема – Литиевые аккумуляторы |
Уменьшение размера частиц материалов литиевых аккумуляторов — это «палка о двух концах». Это значительно повышает энергетические характеристики и эффективность использования материала, но также создаёт такие проблемы, как проблемы с интерфейсом, потеря объёмной плотности энергии, трудности обработки и более высокие затраты. Чистые наноматериалы редко используются на практике. Вместо этого для достижения оптимального баланса между плотностью энергии, удельной мощностью, сроком службы, безопасностью и стоимостью применяются такие стратегии, как сортировка по размеру частиц и инженерия поверхности. Идеальный диапазон размеров частиц зависит от конкретных требований к применению аккумулятора.
Заключение
В Эпическая Порошковая МашинаМы стремимся развивать науку и технологии обработки тонкодисперсных порошков, включая оптимизацию материалов для литиевых аккумуляторов. Наш опыт в технологиях ультратонкого измельчения и классификации помогает производителям достигать идеального распределения размера частиц и свойств материалов для конкретных применений. Независимо от того, ищете ли вы более высокую плотность энергии, более быструю зарядку или более длительный срок службы, Эпический порошок предоставляет оборудование и решения, отвечающие вашим потребностям.