Ett billigt halogenidmaterial med hög energitäthet och lång livslängd avslöjat

2025-09-09 | Jerry Huang

Redaktörens anmärkning: Inom energilagring anses solid-state-batterier vara den bästa lösningen för nästa generations energilagringsteknik, men deras utveckling har länge begränsats av kritiska flaskhalsar i elektrodmaterial. Traditionella solid-state-batterier (ASSB) har vanligtvis elektroder som består av aktiva material, fasta elektrolyter och ledande tillsatser. Dessa inaktiva komponenter (som upptar 40–50 % av elektrodernas volym) minskar dock inte bara energitätheten, utan inducerar också gränssnittsreaktioner och ökar litiumjontransportens slingrande egenskaper. Även om "allt-i-ett"-konstruktioner (material som uppvisar hög konduktivitet och elektrokemisk aktivitet) skulle kunna lösa dessa problem, kämpar befintliga material som oxider (låg kapacitet) och sulfider (hög kostnad) för att möta kraven på framtida marknader. Halider erbjuder fördelar i form av låg kostnad och hög jonledningsförmåga, men lider av otillräcklig elektronisk konduktivitet och energitäthet. Därför har det blivit en kritisk utmaning att utveckla allt-i-ett-material som kombinerar hög elektrokemisk prestanda, billig skalbarhet med mekanisk stabilitet.

Här är ett utmärkt exempel. Ett team från University of Western Ontario i Kanada ger ett revolutionerande svar i sin Nature-studie – de designade världens första halogenidmaterial, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, med dynamisk självläkande förmåga och tre-i-ett-integration (katod/elektrolyt/ledare). Genom reversibla Fe²⁺/Fe³⁺ redoxreaktioner och en unik övergångsmekanism från sprött till duktilt material behåller detta material 90 % kapacitet efter 3 000 cykler och uppnår en elektrodenergitäthet på 529,3 Wh kg⁻¹ (skalbar till 725,6 Wh kg⁻¹ med kompositkonstruktioner). Ännu mer anmärkningsvärt är att dess kostnad bara är 26 % av konventionella elektroders. Synkrotronstrålning tillsammans med atomsimuleringar avslöjade för första gången en järnmigrationsinducerad självläkande mekanism! Detta arbete frigör inte bara ett kärnmaterial för heltäckande solid state-batterier utan ger också ett paradigmbaserat argument för allt-i-ett-design som integrerar material, mekanik och elektrokemi. Tack vare stora insatser från alla forskare.

Abstrakt

Helt i fast tillstånd-batterier kräver avancerade katodkonstruktioner för att realisera sin potential för hög energitäthet och ekonomisk lönsamhet. Integrerade allt-i-ett-katoder, som eliminerar inaktiva ledande tillsatser och heterogena gränssnitt, lovar betydande energi- och stabilitetsvinster men hindras av material som saknar tillräcklig Li+/e−-ledningsförmåga, mekanisk robusthet och strukturell stabilitet. Här presenterar vi Li1.3Fe1.2Cl4, ett kostnadseffektivt halogenidmaterial som övervinner dessa utmaningar. Genom att utnyttja reversibel Fe2+/Fe3+ redox och snabb Li+/e−-transport inom sitt ramverk, uppnår Li1.3Fe1.2Cl4 en elektrodenergitäthet på 529,3 Wh kg−1 jämfört med Li+/Li. Avgörande är att Li1.3Fe1.2Cl4 uppvisar unika dynamiska egenskaper under cykling, inklusive reversibel lokal Fe-migration och en övergång från sprött till duktil som ger självläkande beteende. Detta möjliggör exceptionell cykelstabilitet, och bibehåller 90 % kapacitetsretention under 3 000 cykler med en hastighet av 5 °C. Integrationen av Li1,3Fe1,2Cl4 med en nickelrik skiktad oxid ökar ytterligare energitätheten till 725,6 Wh kg−1. Genom att utnyttja de fördelaktiga dynamiska mekaniska egenskaperna och diffusionsegenskaperna hos allt-i-ett-halider, etablerar detta arbete allt-i-ett-halider som en väg för energitäta, hållbara katoder i nästa generations heltäckande solid-state-batterier.

Referenser

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1

Kommer polymerlitium att vinna kapplöpningen om fasta tillståndsbatterier?

2025-09-08 | Jerry Huang

Redaktörens anmärkning: Det finns fyra elektrolyttyper för litiumbatterier i fast tillstånd: polymer, oxid, sulfid och halogenid, var och en med distinkta egenskaper:

Polymerlitiumelektrolyter

Genom att använda polymermaterial som elektrolyter erbjuder dessa både flexibilitet och hög jonledningsförmåga, vilket gör dem lämpliga som en övergångslösning för halvfasta batterier. De uppvisar god processbarhet, även om långsiktig cyklisk stabilitet återstår att validera.

Litiumoxidelektrolyter

Baserade på material som litiumoxid, erbjuder dessa elektrolyter lägre kostnad och god stabilitet men uppvisar relativt låg jonledningsförmåga.

Litiumsulfidelektrolyter

Dessa elektrolyter, som är baserade på litiumsulfidföreningar, har hög konduktivitet i rumstemperatur och utmärkt gränssnittskompatibilitet, vilket positionerar dem som den kommersiellt mest lovande tekniken av alla. Sulfidmaterial lider dock av dålig kemisk stabilitet och höga produktionskostnader.

Litiumhalidelektrolyter

Halidelektrolyter i fast tillstånd uppvisar hög konduktivitet och oxidationsbeständighet, men de är fortfarande på laboratorienivå med oklara kommersialiseringsutsikter.

Vanliga funktioner

Helt fasta batterier ersätter traditionella flytande elektrolyter med oorganiska pulvermaterial, vilket avsevärt förbättrar säkerheten och energitätheten. Olika tekniska vägar uppvisar dock betydande skillnader i kostnad och processmognad. Till exempel, medan sulfidvägen erbjuder hög konduktivitet, lider den av dålig kemisk stabilitet, medan polymervägen möter utmaningar vad gäller livscykelprestanda.

Solid state-batteritekniken genomgår nu en kritisk övergång från laboratorieprototyper till industrialisering, som starkt ser fram emot en systematisk översyn av sitt utvärderingsramverk. Laboratoriefasen fokuserar främst på elektrokemiska prestandamått (såsom energitäthet, livslängd och hastighetskapacitet), medan solid state-batteriteknik i industriell skala kräver fastställande av flerdimensionella utvärderingskriterier:

1. Utökade utvärderingar: Industriella tillämpningar måste involvera systemfaktorer inklusive: skalbarhet och genomförbarhet (involverar processkompatibilitet, avkastningskontroll etc.), leveranskedjans mognad (inklusive kritisk råvarustabilitet, specialiserad utrustningsstöd etc.) och total livscykelkostnad (som täcker råvaruanskaffning, tillverkning, återvinning etc.);

2. Teknik- och kostnadsoptimering: Industrialisering kräver en optimal balans mellan tekniska data och kostnader, inklusive dynamisk balans mellan elektrokemisk prestanda och tillverkningskostnader; inverkan av val av materialsystem och dess motståndskraft i leveranskedjan; och balans mellan produktionsprocessens komplexitet och skalbarhet;

3. Systematisk utvärdering: Överensstämmelse med viktiga krav inklusive massproduktionskonsekvens (6σ kvalitetskontrollstandard), säkerhetscertifieringar (t.ex. överensstämmelse med UL 9540A och andra internationella standarder) och design av produktionskapacitet för en enda linje ≥2 GWh, etc.

Professor Guo har en annan syn på hur polymerlitium kan vinna kapplöpningen mellan fasta batterier och litiumsulfidelektrolyter. Låt oss ta en titt på forskningen från Xin Guo-teamet. Stort tack till alla forskare för deras fantastiska insatser.

Abstrakt

Solid state-batterier (SSB) lovar att revolutionera energilagring genom att erbjuda förbättrad säkerhet, högre energitäthet och förbättrad livslängd jämfört med konventionella litiumjonbatterier. Bland de olika fasta elektrolyterna utmärker sig polymerer för sin unika kombination av bearbetbarhet, mekanisk eftergivlighet och kemiska mångsidighet. Denna översikt undersöker varför polymerer är redo att leda kapplöpningen mot kommersiella SSB. Deras inneboende fördelar – såsom överlägsen gränssnittskontakt med elektroder, avstämbar jonledningsförmåga och kompatibilitet med skalbara tillverkningsmetoder – samt de viktigaste tekniska utmaningarna de står inför, inklusive begränsad termisk stabilitet, smala elektrokemiska fönster och gränssnittsnedbrytning, undersöks. Denna studie belyser nya lösningar från ny forskning, inklusive polymermolekylär design, polymer-keramiska kompositer och in situ-polymerisationsstrategier. Till skillnad från oxid- och sulfidsystem, som möter betydande hinder i kostnad, tillverkningsbarhet och integration, erbjuder polymerbaserade elektrolyter en realistisk och ekonomiskt hållbar väg till storskalig distribution. Med fortsatta framsteg inom materialdesign och industriell bearbetning är polymerer inte bara konkurrenskraftiga – de leder övergången till nästa generations solid state-batterier.

Referenser

https://doi.org/10.1002/advs.202510481

Nyhet: Borlegerade kiselanoder tredubblar kalenderlivslängden för litiumjonbatterier

2025-06-29 |

Abstrakt

Att stabilisera den fasta elektrolytgränssnittet (SEI) är fortfarande en viktig utmaning för kiselbaserade litiumjonbatterianoder. Legering av kisel med sekundära element som bor har framstått som en lovande strategi för att förbättra livslängden för kiselanoder, men den underliggande mekanismen är fortfarande oklar. För att åtgärda denna kunskapslucka undersöks systematiskt hur borkoncentrationen påverkar batteriets prestanda. Dessa resultat visar en nästan monoton ökning av livslängden med högre borhalt, där borrika elektroder avsevärt överträffar rent kisel. Dessutom uppvisar kisel-borlegeringsanoder nästan tre gånger längre kalenderlivslängd än rent kisel. Genom detaljerad mekanistisk analys utesluts alternativa bidragande faktorer systematiskt, och det föreslås att förbättrad passivering uppstår från en stark permanent dipol på nanopartikelytan. Denna dipol, som bildas av underkoordinerad och starkt Lewis-sur bor, skapar ett statiskt, jon-tätt lager som stabiliserar det elektrokemiska gränssnittet, vilket minskar parasitisk elektrolytnedbrytning och förbättrar långsiktig stabilitet. Dessa fynd tyder på att det elektriska dubbelskiktet, inom SEI-ramverket, är en viktig faktor vid ytpassivering. Denna insikt ger ett outforskat parameterutrymme för att optimera kiselanoder i nästa generations litiumjonbatterier.

Hänvisning

https://doi.org/10.1002/aenm.202501074

Hur gör LiTFSI skillnad i natriummetallbatterier?

2025-06-29 |

Redaktörens anmärkning: Natriummetallbatterier är viktiga för storskalig energilagring och mobila elektroniska enheter som energilagringsenheter med hög energitäthet och låg kostnad. Prestandan hos elektrolyt och SEI begränsar dock livslängden och laddnings-/urladdningshastigheten för natriummetallbatterier. Hur gör LiTFSI skillnad i natriummetallbatterier? Här är ett exempel. Tack vare en specialforskning från Shuang Wan-teamet.

Abstrakt

Att konstruera en oorganisk-rik och robust fast elektrolyt-gränssnittsfas (SEI) är en av de viktigaste metoderna för att förbättra den elektrokemiska prestandan hos natriummetallbatterier (SMB). Emellertid stör den låga konduktiviteten och distributionen av vanliga oorganiska ämnen i SEI Na+-diffusionen och inducerar ojämn natriumavsättning. Här konstruerar vi en unik SEI med jämnt spridda högkonduktiva oorganiska ämnen genom att introducera en självuppoffrande LiTFSI i natriumsaltbaskarbonatelektrolyten. Den reduktiva konkurrenseffekten mellan LiTFSI och FEC underlättar bildandet av SEI med jämnt spridda oorganiska ämnen. Där den högkonduktiva Li3N och de oorganiska ämnena tillhandahåller snabba jontransportdomäner och högflödeskärnbildningsställen för Na+, vilket bidrar till snabb natriumavsättning med hög hastighet. Därför möjliggör SEI härlett från LiTFSI och FEC att Na∥Na3V2(PO4)3-cellen uppvisar 89,15 % kapacitetsretention (87,62 mA hg–1) vid en ultrahög hastighet på 60 °C efter 10 000 cykler, medan cellen utan LiTFSI endast levererar 48,44 % kapacitetsretention även efter 8 000 cykler. Dessutom uppvisar Na∥Na3V2(PO4)3-påsecellen med den speciella SEI en stabil kapacitetsretention på 92,05 % vid 10 °C efter 2 000 cykler. Denna unika SEI-design belyser en ny strategi för att driva små och medelstora företag att arbeta under extrema förhållanden med höga hastigheter.

Upphovsrätt © 2023 Amerikanska kemiska sällskapet

Hänvisning

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08224

LiTFSI erbjuder stor hjälp för hög prestanda hos sulfidbaserade litiumbatterier i fast tillstånd

2025-06-27 |

Redaktörens anmärkning: Hur bidrar LiTFSI, CAS: 90076-65-6, till utvecklingen av sulfidbaserade litiumbatterier i fast form? Här är ett exempel. Tack vare den extraordinära forskningen från Fangyang Liu-teamet.

Abstrakt

Det smala elektrokemiska fönstret hos sulfidelektrolyter kan leda till olika felmekanismer vid gränssnitten mellan katod- och anodsidorna. Införandet av distinkta modifieringsstrategier för katod- och anodsidorna ökar komplexiteten i tillverkningsprocessen för sulfidbaserade litiumbatterier i fast tillstånd (ASSLB). I detta arbete användes en integrerad modifieringsstrategi genom att introducera litiumbis(trifluormetansulfonyl)imid (LiTFSI)-skal under våtförädlingsprocessen av Li6PS5Cl (LPSC), vilket framgångsrikt konstruerade robusta fluorerade gränssnitt in situ på både katod- och anodsidorna samtidigt. På litiumanodsidan undertryckte den minskade elektroniska konduktiviteten hos LiTFSI@LPSC och genereringen av fluorerade gränssnitt effektivt tillväxten av litiumdendriter, vilket ytterligare bekräftades av beräkningarna med densitetsfunktionsteori (DFT). Som ett resultat uppnådde Li|LiTFSI@LPSC|Li-cellen en kritisk strömtäthet upp till 1,6 mA cm−2 och stabil cyklisk prestanda över 1500 timmar vid 0,2 mA cm−2. På katodsidan förbättrade LiTFSI@LPSC inte bara Li+-transporten inom den sammansatta katoden, utan även LiTFSI-skalet sönderdelades in situ till LiF-baserad katodelektrolyt-mellanfas (CEI). Kapacitetsretentionen uppnåddes 98,6 % efter 500 cykler vid 2°C med LiNi₂₃Co₂₁₁Mn₂₁₂O₂ (NCM83) vid hög avstängningsspänning på 4,6 V. Den funktionaliserade LiTFSI@LPSC möjliggör omfattande, allt-i-ett-gränssnittsmodifiering för både anod- och katodsidan, vilket avsevärt förenklar gränssnittstekniken i sulfidbaserade ASSLB:er samtidigt som den levererar exceptionell elektrokemisk prestanda.

Hänvisning

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104131

Vad är nytt med LiTFSI-applikationer?

2025-06-26 | Jerry Huang

Litiumbis(trifluormetansulfonyl)imid (LiTFSI), med den kemiska molekylformeln C2F6LiNO4S2, är ett vitt kristallint eller pulverformigt organiskt ämne med hög elektrokemisk och termisk stabilitet. Som elektrolyttillsats kan LiTFSI appliceras i olika batterisystem såsom primära litiumbatterier, sekundära litiumbatterier och fastfaslitiumbatterier.

Litiumbis(trifluorometylsulfonyl)imid (LiTFSI), en nyckelkomponent i elektrolyten i litiumjonbatterier, är känd för sin utmärkta termiska och elektrokemiska stabilitet. Genom sin unika molekylära konfiguration bygger detta litiumsalt ett fast anjonnätverk i elektrolyten, vilket inte bara avsevärt minskar lösningens viskositet, utan också dramatiskt ökar litiumjonens skyttelhastighet. Denna egenskap leder direkt till hög effektivitet i batteriets laddnings- och urladdningsprocessen, vilket gör LiTFSI idealiskt för att förbättra den totala prestandan hos litiumjonbatterier. Speciellt inom forskning och utveckling av fastfaslitiumbatterier visar LiTFSI stor potential. Dessutom visar det mycket positiva resultat inom forskning om natriummetallbatterier (SMB) och förväntas driva ytterligare innovation inom batteriteknik. LiTFSI:s prestandastabilitet i komplexa och systematiska miljöer är dock de brådskande frågorna som måste lösas i den aktuella forskningen.

Litiumbis(trifluorometylsulfonyl)imid (LiTFSI) har börjat användas i stora mängder i nya typer av batterier, såsom litiumjonbatterier i fast tillstånd, inklusive polymerbatterier, sulfidbatterier och oxidbatterier. LiTFSI har visat sig vara användbart för att förbättra batteriernas prestanda, inklusive dess roll i anodskydd, underlättar snabbladdning och främjar höga fördelar inom ett brett temperaturområde. Litiumbis(trifluorometansulfonyl)imid är ett av de viktiga elektrolyttillsatserna för litiumbatterier, vilket kan förbättra elektrolytens elektrokemiska stabilitet, cyklingsprestanda och konduktivitet, och har mindre korrosiv effekt på aluminiumfolie vid högre spänningar, vilket kan anpassas för att öka energitätheten hos batterier inom elbilsindustrin.

Energiförsörjningssystem med låg kolhalt förväntas byggas

2024-07-21 | Jerry Huang

Den 15 juli 2024 utfärdade Kinas nationella utvecklings- och reformkommission (NDRC) och National Energy Administration (NEA) "Program on Low-Carbon Transformation and Construction of Coal Power Plants(2024-2027)", som nämner att: Senast 2025 , de första kolkraftverkens omvandlingsprojekt med låga koldioxidutsläpp kommer alla att startas, och ett gäng energitekniker med låga koldioxidutsläpp kommer att användas; koldioxidutsläppen från de relevanta projekten kommer att minska med cirka 20 % per kilowattimme jämfört med 2023, till och med uppenbart lägre än koldioxidutsläppen från de befintliga avancerade kolkraftverken, och därmed utforska värdefull erfarenhet för de rena och låga -kolomvandling av kolkraftverk. Genom att anpassa den koldioxidsnåla omvandlingen av de befintliga kolkraftverken och bygga nya kolkraftverk med låga koldioxidutsläpp på ett samordnat sätt, strävar vi efter att påskynda byggandet av ett nytt energisystem som är rent, koldioxidsnålt, säkert och mycket högt. effektiv.

Enligt relevanta prognoser kommer CO2-utsläppen från kolkraftverk år 2030 att vara cirka 4 miljarder ton. Därför är kolkraftindustrins lågkoldioxidteknologier det viktigaste stödet för att uppnå Kinas "2030 - 2060 Carbon Peak & Carbon Neutral"-mål. Så, hur kunde kolkraftsindustrin uppnå avkarbonisering?

01 Omvandling av kolkraft och konstruktionsmetoder

Enligt programmet för lågkoldioxidomvandling och konstruktion av kolkraftverk (2024-2027) finns det tre specifika sätt att omvandla kolkraft till lågkolning:

1, Biomassablandning. Genom att utnyttja biomassaresurser såsom jord- och skogsbruksavfall, avfallsanläggningar och förnybara energigrödor, och ta hänsyn till hållbar försörjning av biomassaresurser, säkerhet, flexibilitet, driftseffektivitet och ekonomisk genomförbarhet, bör koleldade kraftgenererande enheter kopplas till biomassa kraftgenerering. Efter omvandlingen och konstruktionen bör kolkraftverken ha förmågan att blanda mer än 10 % av biobränslen och därmed minska kolförbrukningen och koldioxidutsläppen avsevärt.

2, Grön ammoniakblandning. Genom att använda grön ammoniak som blandas med kolkraftenheter för att generera elektricitet och ersätta en del av kolet. Kolkraftaggregat bör ha förmågan att förbränna mer än 10 % grön ammoniak efter omvandling och konstruktion, med målet att kolförbrukningen och koldioxidutsläppen uppenbarligen kan minskas.

3, Kolavskiljning, användning och lagring. Använd kemiska metoder, adsorption, membran och andra tekniker för att separera och fånga upp koldioxid i rökgasen från koleldade pannor. Fånga upp, rena och komprimera koldioxid genom tryck- och temperaturjustering. Främja tillämpningen av geologisk teknik som effektiv oljedrivning med koldioxid. Använd kemisk teknik som koldioxid plus väte för att erhålla metanol. Genomför geologisk lagring av koldioxid enligt lokala förhållanden.

02 Övergångsvägar för kolkraft med låga koldioxidutsläpp

Expansion av ren energi, inklusive vattenkraft, vindkraft och solenergi, är nyckeln till att förverkliga planerna för energiförsörjningen med låga koldioxidutsläpp. Efter att ha uppfyllt det ökande kraftbehovet behövs ytterligare utbyte av den befintliga kolkraften för energiomställningen med låga koldioxidutsläpp. Efter 2030 kommer icke-fossil energikraft att ersätta den befintliga kolkraften och bli den största delen av kraftförsörjningen; och efter 2050 kommer andelen koleldad kraftproduktion att vara mindre än 5 % av Kinas totala kraftförsörjning.

Enligt en studie från Renmin University of China om utvecklingsutsikterna för Kinas koldioxidsnåla övergång av kolkraft, kan den delas in i följande tre steg:

1, Från och med nu till 2030, som förberedelseperioden för en omställning med låga koldioxidutsläpp, kommer kolkraftskapaciteten fortfarande att växa måttligt före 2030, samtidigt som den nya energin blir majoriteten av krafttillförselökningen och andelen vind- och solkraft installerad kapacitet kommer att vara mer än 40 % till 2030.

2, år 2030-2045 som den snabba övergångsperioden, efter 2030, kommer andelen vind- och solkraft snabbt att överstiga kolkraftens andel, och blir kraftsystemets huvudkraftkälla. Kolkraftverk måste kopplas till biomassateknik, CCUS och andra rena tekniker med låga koldioxidutsläpp, vilket minskar koldioxidutsläppen.

3, år 2045 -2060 som förstärknings- och förbättringsperiod för kraftförsörjningen, år 2050 kommer efterfrågan på elektricitet att vara mättad, kolkraft kommer att omvandlas fullständigt till en justerbar kraftförsörjning, som tjänar smältningen och absorptionen av vind-solenergins huvudkraft och tillhandahåller nöd- och reservkraft.

Här är ett exempel på en maktbas i Kubuqi-öknen. Den totala planerade kapaciteten för Kubuqis kraftbas är 16 miljoner kilowatt, inklusive solcellseffekt på 8 miljoner kilowatt, vindkraft på 4 miljoner kilowatt och avancerad högeffektiv kolkraftkapacitet på 4 miljoner kilowatt. De solenergiprojekt som har byggts är spektakulära, med 2M kW installerad solcellskapacitet redan i drift. Om alla projekt är helt slutförda, beräknas det att cirka 40 miljarder kWh el kan levereras till miljontals familjer per år, med ren energi som står för mer än 50 % av totalen, vilket motsvarar en besparing på cirka 6 miljoner ton standardkol och minska koldioxidutsläppen med cirka 16 miljoner ton årligen. Det är planerat att fler rena energibaser ska vara på väg. Solpaneler byggdes först Solpaneler ett år senare Solenergibas fem år senare

När det gäller elbilar och dess laddningsinfrastruktur, enligt statistiken, i slutet av maj 2024 hade det totala antalet laddningsinfrastrukturer för elbilar ackumulerats till 9,92 miljoner enheter över hela Kina, en ökning med 56 % jämfört med föregående år. Bland dem hade offentliga laddningsanläggningar och den privata sektorn ökat till 3,05 miljoner enheter respektive 6,87 miljoner, med tillväxttakt på 46 % respektive 61 % på årsbasis. Detta betyder att Kina har byggt det största laddningsinfrastrukturnätverket i världen, som täcker det bredaste serviceområdet och utbudet av laddningstyper.

Grön, mycket effektiv och ekonomisk metod släppt för återvinning av LCO och ternära LIB

2023-09-16 | Jerry Huang

Redaktörens anmärkning: Litiumjonbatterier används nu flitigt i en mängd olika elektroniska enheter, elbilar och energilagring i nätskala. Den globala efterfrågan på litiumjonbatterier fortsätter att växa betydligt. Det uppskattas att år 2030 kommer den globala volymen förbrukade litiumjonbatterier att överstiga 11 miljoner ton, vilket kommer att bli en enorm föroreningskälla som allvarligt kan hota miljön och folkhälsan. Samtidigt leder den växande efterfrågan på litiumjonbatterier till en växande efterfrågan på litium och kobolt. Å andra sidan är halten litium och kobolt i LIB-katoder så hög som 15 % respektive 7 % vikt, vilket är mycket högre än i malmer och saltlösningar. Därför är återvinningen av metallelement i förbrukade LIB-katoder av stor miljömässig, social och ekonomisk betydelse. För närvarande är återvinningen av litiumjonbatterier huvudsakligen uppdelad i tre steg: förbehandling, metallextraktion och metallseparation. I forskning och utveckling av metallextraktionssteget i återvinningsprocessen är den hydrometallurgiska processen ett av de mest lönsamma alternativen på grund av dess höga metallurlakningshastighet och tillfredsställande renhet hos de återvunna produkterna. Processen är dock inte så miljövänlig och inte heller särskilt ekonomisk, eftersom användningen av oorganiska syror ger farliga biprodukter; medan organiska syror kräver ytterligare reduktionsmedel eller längre reaktionstider och högre temperaturer för metallåtervinning.

Forskare från Zhong Lin Wang-teamet ger oss en möjlig metod som är grön, mycket effektiv och ekonomisk för återvinning av LIB, inklusive litiumkoboltoxidbatterier (LCO) och ternära litiumbatterier.

Abstrakt

Med den globala trenden mot koldioxidneutralitet ökar efterfrågan på litiumjonbatterier (LIB) kontinuerligt. Nuvarande återvinningsmetoder för förbrukade LIB behöver dock brådskande förbättringar vad gäller miljövänlighet, kostnad och effektivitet. Här föreslår vi en mekano-katalytisk metod, kallad kontakt-elektro-katalys, som använder radikaler som genereras av kontaktelektrifiering för att främja metallläckage under ultraljudsvågen. Vi använder också SiO2 som en återvinningsbar katalysator i processen. För litiumkobolt(III)oxidbatterier nådde lakningseffektiviteten 100 % för litium och 92,19 % för kobolt vid 90 °C inom 6 timmar. För ternära litiumbatterier nådde urlakningseffektiviteten för litium, nickel, mangan och kobolt 94,56 %, 96,62 %, 96,54 % respektive 98,39 % vid 70 °C inom 6 timmar. Vi förutser att denna metod kan ge ett grönt, högeffektivt och ekonomiskt tillvägagångssätt för LIB-återvinning, och möta den exponentiellt växande efterfrågan på LIB-produktioner.

Referens

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

En effektiv grön och ekonomisk metod för återvinning av LFP-batterier

2023-09-16 | Jerry Huang

Redaktörens anmärkning: Litiumjonbatterier används nu flitigt i en mängd olika elektroniska enheter, elbilar och energilagring i nätskala. Den globala efterfrågan på litiumjonbatterier fortsätter att växa betydligt. Det uppskattas att år 2030 kommer den globala volymen förbrukade litiumjonbatterier att överstiga 11 miljoner ton, vilket kommer att bli en enorm föroreningskälla som allvarligt kan hota miljön och folkhälsan. Samtidigt leder den växande efterfrågan på litiumjonbatterier till en växande efterfrågan på litium och kobolt. Å andra sidan är halten litium och kobolt i LIB-katoder så hög som 15 % respektive 7 % vikt, vilket är mycket högre än i malmer och saltlösningar. Därför är återvinningen av metallelement i förbrukade LIB-katoder av stor miljömässig, social och ekonomisk betydelse. För närvarande är återvinningen av litiumjonbatterier huvudsakligen uppdelad i tre steg: förbehandling, metallextraktion och metallseparation. Vid forskning och utveckling av metallextraktionssteget i återvinningsprocessen är den hydrometallurgiska processen ett av de mest lönsamma alternativen på grund av dess höga metallurlakningshastighet och tillfredsställande renhet hos de återvunna produkterna. Processen är dock inte så miljövänlig och inte heller särskilt ekonomisk, eftersom användningen av oorganiska syror ger farliga biprodukter; medan organiska syror kräver ytterligare reduktionsmedel eller längre reaktionstider och högre temperaturer för metallåtervinning.

Forskare från Zhong Lin Wang-teamet ger oss en möjlig metod som är grön, mycket effektiv och ekonomisk för återvinning av LIB:er, särskilt LFP-batterier.

Abstrakt

Återvinningen av litiumjärnfosfatbatterier (LFP), som representerar mer än 32 % av den globala marknadsandelen för litiumjonbatterier (LIB), har väckt uppmärksamhet på grund av de värdefulla elementresurserna och miljöhänsyn. Men den senaste återvinningstekniken, som vanligtvis är baserad på elektrokemiska eller kemiska lakningsmetoder, har kritiska problem som tråkiga procedurer, enorm kemikalie-/elförbrukning och sekundära föroreningar. Här rapporterar vi ett innovativt självdrivet system som består av en elektrokemisk LIB-återvinningsreaktor och en triboelektrisk nanogenerator (TENG) för återvinning av förbrukad LFP. I den elektrokemiska LIB-återvinningsreaktorn används Cl−/ClO−-paret som genereras elektrokemiskt i NaCl-lösning som redoxmediator för att bryta ner LFP till FePO4 och Li+ via redoxmålreaktionen utan extra kemikalier. Dessutom är en TENG som använder kasserade komponenter från LIBs inklusive höljen, aluminium-plastfilmer och strömavtagare utformad för att drastiskt minimera sekundära föroreningar. Dessutom skördar TENG vindenergi och ger en effekt på 0,21 W för att driva det elektrokemiska återvinningssystemet och ladda batterier. Därför uppvisar det föreslagna systemet för återvinning av förbrukad LFP hög renhet (Li2CO3, 99,70% och FePO4, 99,75%), självförsörjande funktioner, förenklat behandlingsförfarande och en hög vinst, vilket kan främja hållbarheten hos LIB-teknologier.

Referens

http://dx.doi.org/10.1039/D3EE01156A

50C snabbladdade Li-Ion-batterier med en grafitanod

2022-11-01 |

Abstrakt

Li-ion-batterier har gjort intåg på elfordonsmarknaden med höga energidensiteter, men de lider fortfarande av långsam kinetik som begränsas av grafitanoden. Här designas elektrolyter som möjliggör extrem snabb laddning (XFC) av en grafitanod i mikrostorlek utan Li-plätering. Omfattande karakterisering och simuleringar av diffusionen av Li+ i bulkelektrolyten, laddningsöverföringsprocessen och den fasta elektrolytens interfas (SEI) visar att hög jonkonduktivitet, låg desolvationsenergi för Li+ och skyddande SEI är väsentliga för XFC. Baserat på kriteriet utformas två snabbladdande elektrolyter: lågspänning 1,8 m LiFSI i 1,3-dioxolan (för LiFePO4||grafitceller) och högspänning 1,0 m LiPF6 i en blandning av 4-fluoretylenkarbonat och acetonitril (7:3 i volym) (för LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||grafitceller). Den förstnämnda elektrolyten gör det möjligt för grafitelektroden att uppnå 180 mAh g−1 vid 50C (1C = 370 mAh g−1), vilket är 10 gånger högre än en konventionell elektrolyt. Den senare elektrolyten gör det möjligt för LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||grafitceller (2 mAh cm−2, N/P-förhållande = 1) att ge en rekordstor reversibel kapacitet på 170 mAh g−1 vid 4C laddning och 0,3C urladdning . Detta arbete avslöjar nyckelmekanismerna för XFC och tillhandahåller instruktiva principer för elektrolytdesign för praktiska snabbladdande LIB:er med grafitanoder.

Referenser

1. https://doi.org/10.1002/adma.202206020