Тъй като индустрията на литиевите батерии се ускорява към по-висока енергийна плътност и по-дълъг живот на цикъла, въглеродните нанотръби се превърнаха от "звезден материал" в лабораторията до незаменим ключов спомагателен материал на производствените линии за батерии. Каква роля всъщност играят вътре в батерията? Защо те могат едновременно да подобрят енергийната плътност и жизнения цикъл? Тази статия ще разглоби логиката на приложението на въглеродните нанотръби в литиевите батерии. В същото време ще видим и как местните производители на въглеродни нанотръби, представени от Shandong Tanfeng New Material, насърчават широкомащабното-приемане на този материал чрез масово производство.
1. Основната роля на въглеродните нанотръби: Каква роля играят вътре в литиевите батерии?
Въглеродните нанотръби изпълняват двойна функция в литиевите батерии като „проводяща магистрала“ и „наномеханичен буферен слой“. Техният синергичен механизъм за „линия-контактна линия-свързване“ е ключовата характеристика, която ги отличава от традиционните проводими добавки.
За да разберем ролята на въглеродните нанотръби, първо трябва ясно да видим ситуацията с "микроскопичния трафик" вътре в батерията. Традиционните проводящи добавки (като сажди Super P) са частици с нулево-измерение, които пренасят електрони чрез „точков контакт“ между частиците, като неравен чакълест път с високо контактно съпротивление, което лесно се счупва по време на промени в обема при зареждане и разреждане. Въглеродните нанотръби обаче са едно-измерни тръбни материали с изключително високо аспектно съотношение. Те изграждат „линия-контактна“ три-измерна проводяща мрежа в електрода, еквивалентна на надграждане на чакълестия път до надлез.
| Сравнително измерение | Традиционно въглеродно черно (Super P) | Проводима добавка за въглеродни нанотръби |
|---|---|---|
| Геометрична структура | Нулево-измерно (частици) | Едно{0}}измерен (тръбен) |
| Режим на контакт | Контакт от-до-точка | Контакт от-до-линия / линия-до-точка |
| Проводима мрежова ефективност | Нисък, склонен към прекъсване на връзката | Изключително висока проводимост-на дълги разстояния |
| Добавена сума (типично) | 2-3 тегл.% | 0,5-1,5 тегл.% (може да намали дозата) |
| Ефект върху механичните свойства на матрицата | Без подсилване | Значително подсилване, потиска пукнатините |
2. Защо могат да подобрят енергийната плътност? - Два ключови пътя
Въглеродните нанотръби подобряват енергийната плътност на литиевите батерии по два пътя: „намаляване на дозировката при увеличаване на ефективността“ и „директно съхранение на литий“.
Първо, най-ясната логика е намаляването на дозировката на проводящата добавка. Поради изключително високата проводима ефективност на въглеродните нанотръби, трябва да се добави само малко количество, за да се постигне или дори да се надмине ефектът на големи количества традиционни сажди. Това означава, че делът на активните материали (като литиево-железен фосфат и трикомпонентни материали) в електрода може да бъде по-висок, което директно подобрява гравиметричната и обемната енергийна плътност на цялата батерия. Изследване от Empa (Швейцарски федерални лаборатории за наука и технология на материалите) показва, че в катодите NMC532 добавянето само на 1 тегл.% въглеродни нанотръби със смесени-размери води до проводимост, която е 13 пъти по-висока, отколкото при добавяне на 3 тегл.% сажди. В същото време-топлопроводимостта в равнината се увеличи с 200%, а-топлопроводимостта в равнината се увеличи с 40%, което е от решаващо значение за разсейването на топлината и безопасността на батерията.
Второ, самите въглеродни нанотръби също имат възможност за съхранение на литий. Проучване от Масачузетския технологичен институт разкри подривно разбиране: много{1}}стенни въглеродни нанотръби с дефекти и-съдържащи кислород функционални групи, въведени чрез обработка с киселина, когато се използват като самите анодни материали, могат да постигнат обратим капацитет от 855,6 mAh/g, далеч надвишаващ теоретичния капацитет на графита (372 mAh/g). Това означава, че добавянето на въглеродни нанотръби към анода не само осигурява проводимост, но също така директно допринася за капацитета, осигурявайки допълнително подобрение на производителността за системи с голям-капацитет като аноди на базата на силиций-.
3. Защо могат да удължат живота на цикъла? - „Нано-пружинният“ механизъм против-умора
Въглеродните нанотръби играят ролята на „нано{0}}пружина“ по време на циклите на зареждане и разреждане, като абсорбират механичния стрес и потискат генерирането на микро-пукнатини, като по този начин значително удължават живота на батерията.
По време на многократно зареждане и разреждане анодните и катодните материали непрекъснато се разширяват и свиват, което води до разпрашаване на частици и разпространение на пукнатини, които са основните причини за намаляване на капацитета на батерията. Изследователски екип от POSTECH (Университет за наука и технологии в Поханг) в Южна Корея, в сътрудничество със Samsung SDI, осигури гениално решение: те покриха повърхността на катодния материал с „нано-пружинно покритие“ от много-стенни въглеродни нанотръби.
Добавянето на само 0,5 тегл.% въглеродни нанотръби постигна ултра-висока енергийна плътност от над 570 Wh/kg.
След 1000 цикъла на зареждане-разреждане батерията все още поддържаше 78% от първоначалния си капацитет.
Принципът се крие в кухата тръбна структура на въглеродните нанотръби, която действа като пружина, абсорбирайки и разсейвайки енергията на деформация, генерирана по време на зареждане и разреждане, предотвратявайки образуването на пукнатини и разпространението им по повърхността на частиците. Този ефект на механично подсилване напълно липсва в традиционните проводящи добавки за частици.
Предимство на новия материал на Shandong Tanfeng:Като професионален производител на въглеродни нанотръби, Shandong Tanfeng New Material не само осигурява много{0}}стенни/няколко{1}}стенни въглеродни нанотръби на прах с чистота, по-голяма или равна на 98%, но също така предлага проводими пасти за въглеродни нанотръби, персонализирани за различни анодни и катодни системи. Неговото собствено-разработено трето-поколение хоризонтално CVD оборудване е постигнало широко{6}}мащабно производство от 3000 тона годишно, ефективно намалявайки разходите за използване на клиентите. Екипът разполага със собствени основни технологии за подобряване на ефективността на катализатора (времето за реакция намалено до 30-45 минути) и диспергираща технология.
4. Въглеродни нанотръби - „Ключовият играч“ в подобряването на производителността на литиевата батерия
Въглеродните нанотръби играят роля в литиевите батерии, която не е просто проводимост, а многофункционален материал, който интегрира „високо-създател на проводяща мрежа“, „механичен буферен слой на наномащаб“ и „допълнителен принос за съхранение на литий“.
Подобряване на енергийната плътност:Задвижвани от две колела -, намаляващи дозата, като същевременно повишават ефективността (дозировката на проводящата добавка, намалена с повече от половината) и собствения им принос за съхранение на литий (капацитет от 855,6 mAh/g след дефектен инженеринг).
Удължаване на живота на цикъла:Чрез технологията на нано-пружинно покритие за абсорбиране на напрежението и потискане на микро-пукнатини, поддържане на 78% капацитет дори след 1000 цикъла.
Най-добра практика:Използване на композитна проводяща адитивна система, съчетаваща въглеродни нанотръби и сажди, балансираща цена и производителност.
Тъй като технологията за прилагане на въглеродни нанотръби в литиевите батерии става все по-зряла и с предимството в цената, донесено от производството в мащаб на хиляди-тона- от местни производители като Shandong Tanfeng New Material, въглеродните нанотръби се трансформират от „добавка от висок-клас“ в „стандартен материал с висока-производителност“, проправяйки пътя за следващото-поколение батерии с висока-специфична-енергия, ултра-дълъг-живот.