סוללות LFP מאופיינות בביצועי מחזור טובים, אך ביצועי הקצב שלהן גרועים משמעותית מאלו של סוללות ליתיום משולשות. לכן, ניתן להשיג שיפור ביצועי הקצב של סוללות LFP על ידי התמקדות הן בחומרי הגלם והן בעיצוב הפורמולה.
I. צווארי בקבוק בביצועי הקצב של ליתיום ברזל פוספט
פוספט ליתיום ברזל (LiFePO₄, LFP), כאחד מחומרי הקתודה הנפוצים ביותר, סובל מביצועי קצב גרועים בשל שני גורמים עיקריים: ראשית, רשת FeO₆ הבלתי רציפה במבנה האוליבין מובילה למוליכות אלקטרונית נמוכה (כ-10⁻⁹~10⁰ S/10⁻S/cm); שנית, תעלות הדיפוזיה הצרות של Li⁺-החד-ממדיות גורמות לקצב דיפוזיה איטי של ליתיום- (בערך 10⁻¹⁴~10⁻¹⁶ cm²/s). במילים פשוטות, במהלך טעינה ופריקה בקצב-גבוהים, יעילות הובלת האלקטרון והליתיום-אינה יכולה לעמוד בקצב הביקוש הנוכחי, מה שמוביל לקיטוב מוגבר ולירידה משמעותית בקיבולת.
להלן מתאר אסטרטגיות שיפור מחומרים, אלקטרודות, אלקטרוליטים ועד למערכת התכנון הכוללת.
II. אסטרטגיות ליבה לשיפור
1. שינוי חומר קתודה:
(1) ננו-מבנה - קיצור מרחק שידור:
הקטנת גודל חלקיקי LFP לקנה מידה ננו יכול לקצר משמעותית את נתיב הדיפוזיה של Li⁺ בשלב המוצק, ולהפחית את זמן הטעינה והפריקה. מיקרוספרות LFP נקבוביות (מורכבות מננו-חלקיקים) משלבות ביצועים בקצב גבוה וצפיפות אנרגיה נפחית גבוהה, מה שהופך אותן לכיוון מועדף המשלב פרקטיות וביצועים. עם זאת, יש לציין שלננו-חומרים טהורים יש צפיפות דחיסה נמוכה ובדרך כלל יש לדרג אותם עם חלקיקים גדולים יותר כדי לאזן בין ביצועי קצב וצפיפות אנרגיה נפחית.
(2) ציפוי פחמן - פתיחת ערוצי אלקטרונים
ציפוי אחיד של פני השטח של חלקיקי LFP בשכבת פחמן מוליכה היא שיטת השינוי הבשלה ביותר מבחינה מסחרית. שכבת הפחמן יכולה להגדיל את שטח הפנים הספציפי של החלקיקים, להפחית את מרחק הנדידת Li⁺, ובו זמנית לבנות רשת מוליכה. הכנסת חומרי פחמן מתקדמים כגון ננו-צינוריות פחמן (CNTs) וגרפן יכולה לבנות רשת מוליכה יעילה ביותר מנקודת מבט תלת-ממדית של קו-קו-, ולשפר עוד יותר את ביצועי הקצב. הפטנט האחרון של Wanrun New Energy מפחית את התנגדות האבקה ואת שטיפת הברזל על ידי החדרת קרביד ברזל (0.7%~3.1% לפי מסה) לשכבת הציפוי, ומשיג שיפור בו-זמני בקיבולת, ביצועי רכיבה וביצועי קצב.
(3) Ion Doping – Acceleration from the Lattice Interior
סימום Na⁺ באתרי Li יכול לגרום להתרחבות סריג ולהרחיב תעלות דיפוזיה של Li⁺; סימום Ti⁴⁺ באתרי Fe יכול לשפר את יציבות הסריג ואת הקיבולת הפיכה. קבוצת המחקר של Lü Wenyan מאוניברסיטת צ'ונגצ'ינג השתמשה בסימום סינרגטי Na-Ti ל-LFPs מצופים-פחמן, והשיגה 100% שימור קיבולת ויעילות קולומבית של 99.54% לאחר 1000 מחזורים בקצב גבוה של 5C, והדגימה יציבות גבוהה ביותר {{7}לטווח ארוך. הפטנט שאושר לאחרונה של Hunan Yuneng ל"שינוי מקור פחמן רב--משיג גם ביצועי קצב משופרים ויציבות מחזוריות באמצעות השתלת סילוקסן של מסגרות אורגניות של מתכת, חנקתי קובלט ושינוי סינרגטי של חנקת נחושת.
2. תהליך סינטר מתקדם: פריצת דרך דילמת הטיפול בחום
סינתזה קרבותרמית של LFP מבוצעת בדרך כלל ב-600-800 מעלות. בטמפרטורה זו, לשכבת הפחמן המתקבלת יש גבישיות נמוכה, והמוליכות שלה אינה מספיקה לדרישות טעינה מהירה. עם זאת, הגדלת הטמפרטורה מובילה להתגבשות גרגירים, מה שמשפיע לרעה על ביצועי הקצב. הצוות בראשות Zhang Mingjian מהאוניברסיטה הסינית של הונג קונג (שנג'ן) בשיתוף עם Li Auto פיתח אסטרטגיית סינטר מהירה במיוחד: חשיפת LFP מסחרי ב-1000 מעלות למשך כ-10 שניות בלבד ולאחריה קירור מהיר, ובו זמנית שיפור גבישיות שכבת הפחמן פני השטח (הפחתת ליקוי C{{7}{7}{7}{7}{13}O בולמיבלציה ודיפוזיה. התוכן האנטי-אתר של Fe/Li), תוך שמירה על גודל גרגירים ננומטריים. ה-LFP המשונה מציג שיפור בביצועים של למעלה מ-25%, עם דעיכה של 9.8% בלבד בקיבולת לאחר 5000 מחזורי טעינה מהירים. שיטה זו דורשת רק שינויים פשוטים בכבשן צינור סטנדרטי כדי להגיע ל-קנה מידה-בקילוגרם, ולספק נתיב "שדרוג לאחר עיבוד" בעלות נמוכה עבור חומרים מסחריים.
3. אופטימיזציה של סוכנים מוליכים: בניית רשת מוליכות תלת מימדית-
חומרים מוליכים שונים ממלאים תפקידים שונים באלקטרודה: פחמן שחור מוליך (SP) בונה נקודות-כמו חיבורי טווח-קצרים, ננו-צינוריות פחמן (CNTs) בונים חיבורים לטווח בינוני-בינוני, וגרפן (GN) בונה חיבורים לטווח ארוך- מישוריים. כאשר משתמשים בשילוב, הם יוצרים רשת מוליכה סינרגטית תלת ממדית של "קו-מישורי- נקודתי", המפחיתה משמעותית את התנגדות האלקטרודות ומשפרת את קצב הסוללה וביצועי המחזור. סוכנים מוליכים מרוכבים טרינריים (פחמן שחור + CNTs + גרפן) אומתו כבעלי השפעת שיפור הביצועים הקינטית הטובה ביותר בסוללות ליתיום ברזל פוספט.
4. אופטימיזציה של אלקטרוליטים: נוזל סינרגטי-האצת שלב
האלקטרוליט הוא המדיום הנוזלי-שלב דרכו Li⁺ נודד בין האלקטרודות החיוביות והשליליות. ייעול האלקטרוליט הוא חלק הכרחי בשיפור ביצועי הקצב. כיווני אופטימיזציה כוללים:
Lithium Salt Selection: LiFSI (lithium bisfluorosulfonylimide) has good thermal stability (>200 מעלות) ומוליכות יונית גבוהה. שילובו עם LiPF₆ (למשל, ביחס של 3:1) יכול לאזן בין עלות וביצועים. מערכת ממיסים: ממיסים- בעלי צמיגות נמוכה (כגון DME, MA) יכולים להאיץ את הובלת Li⁺, אך יש לקחת בחשבון את הבטיחות; התוספת של FEC (5%~10%) יכולה לשפר את קשיחות סרט SEI ולדכא היווצרות דנדריט ליתיום.
תוספים פונקציונליים: VC (אתילן קרבונט, 1%~2%) יכולים ליצור סרט SEI צפוף ולהפחית את עכבת הממשק; השילוב של LiNO₃ ו-LiFSI יכול ליצור שכבת SEI יציבה המכילה Li₃N- באלקטרודה השלילית. שימוש באלקטרוליט אופטימלי (אתילן קרבונט + דימתיל קרבונט + אתיל מתיל קרבונט כממיסים, VC, 1,3-PS, FEC ואצטוניטריל כתוספים), קצב שימור הקיבולת מגיע ל-95.6% לאחר 900 מחזורים של 3C טעינה-פריקה וקצב הטעינה משמעותי של 800% לאחר פריקה של 800% ביצועי רכיבה על אופניים.
5. עיצוב מבנה האלקטרודה: ניתוק הובלת יונים של שיפוע נקבוביות
באלקטרודות עבות-שכבתיות מסורתיות, החומר הפעיל ליד קולט הזרם קשה להשתתף בתגובה בגלל נתיב הובלת היונים הארוך מדי. על ידי שימוש בטכניקת ציפוי -שכבת כפולה, חומר ליצירת נקבוביות- (כגון אמוניום ביקרבונט) מוכנס לציפוי האלקטרודה הממוקם הרחק מקולט הזרם, ובונה מבנה נקבוביות שיפוע עם נקבוביות הולכת וגוברת בהדרגה מקולט הזרם אל משטח האלקטרודה. ניסויים מראים שאלקטרודה עבה-שכבת נקבובית גרדיאנט (77.3 מיקרומטר) עדיין שומרת על קיבולת פריקה ספציפית של 40 mAh/g בקצב של 5C בטמפרטורת החדר, בעוד שלאלקטרודה חד-שכבתית- עם אותה צפיפות שטח יש קיבולת ספציפית לפריקה של 0C של 0. המבנה המהיר של השיפוע אנו מקדמים את מבנה האלקטרודה העבה ומעבירים את האלקטרודה המהירה. צפיפות דחיסה גבוהה (גדולה או שווה ל-2.6 גרם/ס"מ³) עוזרת להפחית את ההתנגדות הפנימית ולשפר עוד יותר את ביצועי הקצב.
אודותינו
איסי אינטליגנטימתמחה במחקר ופיתוח ובייצור של ציוד סוללת ליתיום-מתקדם-מתקדם. אנו מציעים פתרונות משולבים-באחד עבור קווי ייצור של תאי סוללה (גליליים, תאי מטבעות ונרתיקים) וגם לקווי ייצור של ערכות סוללות. למצטרפים חדשים לתעשיית סוללות הליתיום- המעוניינים להקים פסי ייצור של תאים או אריזה משלהם, אנו מספקים תמיכה טכנית מקצועית והדרכה. אנא אל תהסס לפנות אלינו.