Litium-ion batareyada hansı materiallar var?

Ən müasir katod materiallarına litium-metal oksidləri daxildir [məsələn, LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , və Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadium oksidləri, olivinlər (məsələn, LiFePO ₄ ) və təkrar doldurulan litium oksidləri. ^11,12 Tərkibində kobalt və nikel olan qatlı oksidlər litium-ion batareyaları üçün ən çox öyrənilən materiallardır.Onlar yüksək gərginlik diapazonunda yüksək sabitlik nümayiş etdirirlər, lakin kobalt təbiətdə məhdud əlçatanlığa malikdir və toksikdir, bu da kütləvi istehsal üçün böyük çatışmazlıqdır.Manqan yüksək istilik həddi və əla sürət imkanları, lakin məhdud velosiped davranışı ilə aşağı qiymətli əvəzetmə təklif edir.Buna görə də, ən yaxşı xüsusiyyətləri birləşdirmək və çatışmazlıqları minimuma endirmək üçün kobalt, nikel və manqan qarışıqları tez-tez istifadə olunur.Vanadium oksidləri böyük tutuma və əla kinetikaya malikdir.Bununla belə, litiumun daxil edilməsi və çıxarılması səbəbindən material amorf olmağa meyllidir və bu, velosiped davranışını məhdudlaşdırır.Olivinlər qeyri-toksikdir və velosiped sürmə səbəbindən aşağı solma ilə orta tutuma malikdir, lakin onların keçiriciliyi aşağıdır.Zəif keçiriciliyi kompensasiya edən materialın örtülməsi üsulları tətbiq edilmişdir, lakin bu, batareyaya bəzi emal xərcləri əlavə edir.

Anod materialları

Anod materialları litium, qrafit, litium alaşımlı materiallar, intermetalliklər və ya silikondur. ¹¹ Litium ən düz irəli material kimi görünür, lakin qısa dövrə yaradan velosiped davranışı və dendritik böyümə ilə bağlı problemlər göstərir.Karbonlu anodlar aşağı qiymətə və mövcudluğuna görə ən çox istifadə edilən anodik materialdır.Bununla belə, nəzəri tutum (372 mAh/g) litiumun yük sıxlığı (3,862 mAh/g) ilə müqayisədə zəifdir.Yeni qrafit növləri və karbon nanoborucuqları ilə bəzi səylər tutumu artırmağa çalışdı, lakin yüksək emal xərclərinin qiyməti ilə gəldi.Yüngül lehimli anodlar və intermetal birləşmələr yüksək tutumlara malikdirlər, lakin eyni zamanda kəskin həcm dəyişikliyi nümayiş etdirirlər ki, bu da zəif velosiped davranışına səbəb olur.Nanokristal materiallardan istifadə etməklə və ərintisi olmayan stabilləşmə matrisində (Co, Cu, Fe və ya Ni).Silikon çox yüksək tutuma malikdir 4,199 mAh/g, Si tərkibinə uyğundur ₅ Li ₂₂ .Bununla belə, velosiped sürmə davranışı zəifdir və tutumun azalması hələ başa düşülməyib.

Elektrolitlər

Təhlükəsiz və uzunömürlü batareyanın mövcud gərginliyə və yüksək temperatura tab gətirə bilən və litium ionları üçün yüksək hərəkətlilik təklif edərkən uzun raf ömrünə malik möhkəm elektrolitə ehtiyacı var.Növlərə maye, polimer və bərk elektrolitlər daxildir. ¹¹ Maye elektrolitlər əsasən üzvi, tərkibində LiBC olan solvent əsaslı elektrolitlərdir ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] və ya oxşar.Ən vacib məqam onların alovlanma qabiliyyətidir;ən yaxşı performans göstərən həlledicilər aşağı qaynama nöqtələrinə malikdir və 30°C ətrafında parlama nöqtələrinə malikdir.Buna görə də, hüceyrənin və sonradan batareyanın havalandırılması və ya partlaması təhlükə yaradır.Litium-ion batareyalarda elektrolit parçalanması və yüksək ekzotermik yan reaksiyalar "termal qaçaq" kimi tanınan effekt yarada bilər.Beləliklə, elektrolitin seçilməsi tez-tez alovlanma qabiliyyəti ilə elektrokimyəvi performans arasında uyğunlaşmanı ehtiva edir.

Separatorlar daxili istilik söndürmə mexanizmlərinə malikdir və modullara və batareya paketlərinə əlavə xarici mürəkkəb istilik idarəetmə sistemləri əlavə olunur.İon mayeləri istilik sabitliyinə görə nəzərdən keçirilir, lakin litiumun anoddan əriməsi kimi böyük çatışmazlıqlara malikdir.

Polimer elektrolitləri ion keçirici polimerlərdir.Onlar tez-tez keramika nanohissəcikləri ilə kompozitlərdə qarışdırılır, nəticədə daha yüksək keçiricilik və daha yüksək gərginliklərə qarşı müqavimət göstərilir.Bundan əlavə, yüksək özlülük və kvazi bərk davranışına görə, polimer elektrolitlər litium dendritlərin böyüməsini maneə törədə bilər. ¹³ və buna görə də litium metal anodlarla istifadə edilə bilər.

Bərk elektrolitlər litium-ion keçirici kristallar və keramika şüşələridir.Onlar aşağı temperaturda çox zəif performans göstərirlər, çünki bərk cisimdə litiumun hərəkətliliyi aşağı temperaturda xeyli azalır.Bundan əlavə, bərk elektrolitlər məqbul davranış əldə etmək üçün xüsusi çökmə şərtlərinə və temperatur müalicələrinə ehtiyac duyur, bu da onları istifadədə olduqca bahalı edir, baxmayaraq ki, onlar separatorlara ehtiyacı və termal qaçış riskini aradan qaldırır.

Ayırıcılar

Ayırıcı materialların və ehtiyacların yaxşı nəzərdən keçirilməsi P. Arora və Z. Zhang tərəfindən təmin edilir. ¹⁴ Adından da göründüyü kimi, batareya ayırıcısı iki elektrodu bir-birindən fiziki olaraq ayırır və beləliklə, qısaqapanmadan qaçır.Maye elektrolit vəziyyətində, ayırıcı elektrolitlə isladılmış və onu yerində saxlayan bir köpük materialdır.Minimum elektrolit müqavimətinə, maksimum mexaniki dayanıqlığa və yüksək elektrokimyəvi aktiv mühitdə deqradasiyaya qarşı kimyəvi müqavimətə malik olmaqla elektron izolyator olmalıdır.Bundan əlavə, separator tez-tez “termal söndürmə” adlanan təhlükəsizlik funksiyasına malikdir;yüksək temperaturda mexaniki dayanıqlığını itirmədən litium-ion nəqlini dayandırmaq üçün əriyir və ya məsamələrini bağlayır.Separatorlar ya təbəqələrdə sintez olunur və elektrodlarla yığılır, ya da yerində bir elektroda yığılır.Xərc baxımından, sonuncu üstünlük verilən üsuldur, lakin bəzi digər sintez, idarəetmə və mexaniki problemlər yaradır.Bərk elektrolitlər və bəzi polimer elektrolitlər ayırıcıya ehtiyac duymur.