Quins materials hi ha en una bateria de ions de liti?

Els materials de càtode d'última generació inclouen òxids de metall de liti [com LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , i Li(NixMnyCoz)O ₂ ], òxids de vanadi, olivines (com LiFePO ₄ ), i òxids de liti recarregables. ^11,12 Els òxids en capes que contenen cobalt i níquel són els materials més estudiats per a bateries d'ions de liti.Mostren una alta estabilitat en el rang d'alta tensió, però el cobalt té una disponibilitat limitada a la natura i és tòxic, la qual cosa és un gran inconvenient per a la fabricació en massa.El manganès ofereix una substitució de baix cost amb un llindar tèrmic elevat i capacitats de velocitat excel·lents, però un comportament de ciclisme limitat.Per tant, sovint s'utilitzen mescles de cobalt, níquel i manganès per combinar les millors propietats i minimitzar els inconvenients.Els òxids de vanadi tenen una gran capacitat i una cinètica excel·lent.Tanmateix, a causa de la inserció i extracció de liti, el material tendeix a tornar-se amorf, la qual cosa limita el comportament cíclic.Les olivines no són tòxiques i tenen una capacitat moderada amb un esvaïment baix a causa del cicle, però la seva conductivitat és baixa.S'han introduït mètodes de recobriment del material que compensen la mala conductivitat, però afegeix alguns costos de processament a la bateria.

Materials de l'ànode

Els materials de l'ànode són liti, grafit, materials d'aliatge de liti, intermetàl·lics o silici. ¹¹ El liti sembla ser el material més senzill, però presenta problemes amb el comportament del cicle i el creixement dendrític, que crea curtcircuits.Els ànodes carbonics són el material anòdic més utilitzat pel seu baix cost i disponibilitat.Tanmateix, la capacitat teòrica (372 mAh/g) és pobra en comparació amb la densitat de càrrega del liti (3.862 mAh/g).Alguns esforços amb noves varietats de grafit i nanotubs de carboni han intentat augmentar la capacitat, però han arribat amb el preu dels alts costos de processament.Els ànodes d'aliatge i els compostos intermetàl·lics tenen capacitats elevades, però també mostren un canvi de volum espectacular, donant lloc a un comportament ciclable deficient.S'han fet esforços per superar el canvi de volum utilitzant materials nanocristal·lins i tenint la fase d'aliatge (amb Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn i altres) en una matriu d'estabilització no aliada (amb Co, Cu, Fe o Ni).El silici té una capacitat extremadament alta de 4.199 mAh/g, corresponent a una composició de Si ₅ Li ₂₂ .No obstant això, el comportament de la bicicleta és deficient i encara no s'entén l'esvaïment de la capacitat.

Electròlits

Una bateria segura i de llarga durada necessita un electròlit robust que pugui suportar la tensió existent i les altes temperatures i que tingui una llarga vida útil alhora que ofereixi una gran mobilitat per als ions de liti.Els tipus inclouen electròlits líquids, polímers i en estat sòlid. ¹¹ Els electròlits líquids són majoritàriament electròlits orgànics basats en dissolvents que contenen LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], o similar.La consideració més important és la seva inflamabilitat;els dissolvents de millor rendiment tenen punts d'ebullició baixos i tenen punts d'inflamació al voltant dels 30 °C.Per tant, la ventilació o explosió de la cèl·lula i, posteriorment, de la bateria suposen un perill.La descomposició d'electròlits i les reaccions secundaries altament exotèrmiques a les bateries d'ions de liti poden crear un efecte conegut com a "fuga tèrmica".Per tant, la selecció d'un electròlit sovint implica una compensació entre la inflamabilitat i el rendiment electroquímic.

Els separadors tenen mecanismes d'apagat tèrmic integrats i s'afegeixen sistemes de gestió tèrmica sofisticats externs addicionals als mòduls i als paquets de bateries.Els líquids iònics estan en consideració a causa de la seva estabilitat tèrmica, però tenen grans inconvenients, com ara la dissolució del liti fora de l'ànode.

Els electròlits polimèrics són polímers conductors iònics.Sovint es barregen en compostos amb nanopartícules ceràmiques, donant lloc a majors conductivitats i resistència a voltatges més alts.A més, a causa de la seva alta viscositat i comportament quasi sòlid, els electròlits polímers podrien inhibir el creixement de les dendrites de liti. ¹³ i per tant es podria utilitzar amb ànodes de metall de liti.

Els electròlits sòlids són cristalls conductors d'ions de liti i vidres ceràmics.Mostren un rendiment molt pobre a baixa temperatura perquè la mobilitat del liti en el sòlid es redueix molt a baixes temperatures.A més, els electròlits sòlids necessiten unes condicions especials de deposició i tractaments de temperatura per obtenir un comportament acceptable, cosa que els fa extremadament cars d'ús, tot i que eliminen la necessitat de separadors i el risc de fuga tèrmica.

Separadors

P. Arora i Z. Zhang ofereixen una bona revisió dels materials i les necessitats del separador. ¹⁴ Com el seu nom indica, el separador de bateries separa físicament els dos elèctrodes entre si, evitant així un curtcircuit.En el cas d'un electròlit líquid, el separador és un material d'escuma que es remull amb l'electròlit i el manté al seu lloc.Ha de ser un aïllant electrònic alhora que tingui una resistència electròlit mínima, una estabilitat mecànica màxima i una resistència química a la degradació en un entorn altament actiu electroquímicament.A més, el separador sovint té una funció de seguretat, anomenada "apagada tèrmica";a temperatures elevades, es fon o tanca els seus porus per aturar el transport d'ions de liti sense perdre la seva estabilitat mecànica.Els separadors es sintetitzen en làmines i es munten amb els elèctrodes o es dipositen sobre un elèctrode in situ.Pel que fa als costos, aquest últim és el mètode preferible, però planteja altres problemes de síntesi, manipulació i mecànica.Els electròlits d'estat sòlid i alguns electròlits polímers no necessiten separador.