Какви материали има в литиево-йонната батерия?

Най-съвременните катодни материали включват литиево-метални оксиди [като LiCoO ₂ , LiMn ₂ О ₄ и Li(NixMnyCoz)O ₂ ], ванадиеви оксиди, оливини (като LiFePO ₄ ) и презареждаеми литиеви оксиди. ^11,12 Слоестите оксиди, съдържащи кобалт и никел, са най-изследваните материали за литиево-йонни батерии.Те показват висока стабилност в обхвата на високо напрежение, но кобалтът е ограничен в природата и е токсичен, което е огромен недостатък за масовото производство.Манганът предлага евтин заместител с висок термичен праг и отлични възможности за скорост, но ограничено циклично поведение.Следователно смеси от кобалт, никел и манган често се използват за комбиниране на най-добрите свойства и минимизиране на недостатъците.Ванадиевите оксиди имат голям капацитет и отлична кинетика.Въпреки това, поради вмъкването и извличането на литий, материалът има тенденция да стане аморфен, което ограничава цикличното поведение.Оливините са нетоксични и имат умерен капацитет с ниско избледняване поради цикличност, но тяхната проводимост е ниска.Въведени са методи за покриване на материала, които компенсират лошата проводимост, но добавят някои разходи за обработка на батерията.

Анодни материали

Анодните материали са литий, графит, литиево-сплавни материали, интерметали или силиций. ¹¹ Литият изглежда най-простият материал, но показва проблеми с цикличното поведение и дендритния растеж, което създава късо съединение.Въглеродните аноди са най-използваният аноден материал поради тяхната ниска цена и наличност.Въпреки това, теоретичният капацитет (372 mAh/g) е слаб в сравнение с плътността на заряда на лития (3862 mAh/g).Някои усилия с нови сортове графит и въглеродни нанотръби се опитаха да увеличат капацитета, но дойдоха с цената на високите разходи за обработка.Сплавните аноди и интерметалните съединения имат голям капацитет, но също така показват драматична промяна на обема, което води до лошо поведение при цикличност.Бяха положени усилия за преодоляване на промяната на обема чрез използване на нанокристални материали и чрез разполагане на сплавната фаза (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn и други) в нелегираща стабилизираща матрица (с Co, Cu, Fe или Ni).Силицият има изключително висок капацитет от 4,199 mAh/g, съответстващ на състава на Si ₅ Ли ₂₂ .Поведението при цикличност обаче е лошо и избледняването на капацитета все още не е разбрано.

Електролити

Една безопасна и дълготрайна батерия се нуждае от здрав електролит, който може да издържи на съществуващо напрежение и високи температури и който има дълъг живот на съхранение, като същевременно предлага висока мобилност за литиеви йони.Типовете включват течни, полимерни и електролити в твърдо състояние. ¹¹ Течните електролити са предимно органични, базирани на разтворители електролити, съдържащи LiBC ₄ О ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (° С ₂ Е ₅ ) ₃ ] или подобен.Най-важното съображение е тяхната запалимост;най-добрите разтворители имат ниски точки на кипене и имат точки на възпламеняване около 30°C.Следователно изпускането на въздух или експлозията на клетката и впоследствие на батерията представляват опасност.Разлагането на електролита и силно екзотермичните странични реакции в литиево-йонните батерии могат да създадат ефект, известен като „топлинно бягане“.По този начин изборът на електролит често включва компромис между запалимостта и електрохимичните характеристики.

Сепараторите имат вградени механизми за термично изключване, а към модулите и батерийните пакети се добавят допълнителни външни сложни системи за управление на топлината.Йонните течности се разглеждат поради тяхната термична стабилност, но имат големи недостатъци, като разтваряне на литий извън анода.

Полимерните електролити са йонно проводими полимери.Те често се смесват в композити с керамични наночастици, което води до по-висока проводимост и устойчивост на по-високи напрежения.В допълнение, поради техния висок вискозитет и квазитвърдо поведение, полимерните електролити могат да инхибират растежа на литиевите дендрити ¹³ и следователно може да се използва с литиево-метални аноди.

Твърдите електролити са литиево-йонни проводими кристали и керамични стъкла.Те показват много лошо представяне при ниски температури, тъй като подвижността на лития в твърдото вещество е значително намалена при ниски температури.В допълнение, твърдите електролити се нуждаят от специални условия на отлагане и температурни обработки, за да получат приемливо поведение, което ги прави изключително скъпи за употреба, въпреки че премахват необходимостта от сепаратори и риска от термично изтичане.

Разделители

Добър преглед на материалите и нуждите на сепаратора е предоставен от P. Arora и Z. Zhang. ¹⁴ Както подсказва името му, сепараторът на батерията разделя двата електрода физически един от друг, като по този начин се избягва късо съединение.В случай на течен електролит, сепараторът е порест материал, който е напоен с електролита и го задържа на място.Той трябва да бъде електронен изолатор, като същевременно има минимална електролитна устойчивост, максимална механична стабилност и химическа устойчивост на разграждане в силно електрохимично активна среда.В допълнение, сепараторът често има функция за безопасност, наречена „термично изключване“;при повишени температури, той се топи или затваря порите си, за да спре транспорта на литиево-йонни, без да губи своята механична стабилност.Сепараторите или се синтезират на листове и се сглобяват с електродите, или се отлагат върху един електрод на място.От гледна точка на разходите, последният е предпочитаният метод, но създава някои други проблеми със синтеза, манипулирането и механичните проблеми.Електролитите в твърдо състояние и някои полимерни електролити не се нуждаят от сепаратор.