Jaké materiály jsou v lithium-iontové baterii?

Mezi nejmodernější katodové materiály patří oxidy lithiových kovů [jako je LiCoO ₂ , LiMn ₂ Ó ₄ a Li(NixMnyCoz)O ₂ ], oxidy vanadu, olivíny (jako je LiFePO ₄ ) a dobíjecí oxidy lithia. ^11,12 Vrstvené oxidy obsahující kobalt a nikl jsou nejvíce studovanými materiály pro lithium-iontové baterie.Vykazují vysokou stabilitu v rozsahu vysokého napětí, ale kobalt má v přírodě omezenou dostupnost a je toxický, což je obrovská nevýhoda pro hromadnou výrobu.Mangan nabízí levnou náhradu s vysokým teplotním prahem a vynikajícími rychlostními schopnostmi, ale omezeným cyklickým chováním.Proto se často používají směsi kobaltu, niklu a manganu, aby se spojily nejlepší vlastnosti a minimalizovaly se nevýhody.Oxidy vanadu mají velkou kapacitu a vynikající kinetiku.Avšak v důsledku vkládání a extrakce lithia má materiál tendenci stát se amorfní, což omezuje cyklické chování.Olivíny jsou netoxické a mají střední kapacitu s nízkým vyblednutím vlivem cyklování, ale jejich vodivost je nízká.Byly zavedeny způsoby nanášení povlaků na materiál, které kompenzují špatnou vodivost, ale zvyšují náklady na zpracování baterie.

Anodové materiály

Materiály anody jsou lithium, grafit, materiály legující lithium, intermetalické materiály nebo křemík. ¹¹ Lithium se zdá být nejpřímějším materiálem, ale vykazuje problémy s cyklickým chováním a dendritickým růstem, který vytváří zkraty.Uhlíkové anody jsou nejpoužívanějším anodickým materiálem kvůli jejich nízké ceně a dostupnosti.Teoretická kapacita (372 mAh/g) je však špatná ve srovnání s hustotou náboje lithia (3 862 mAh/g).Některé snahy s novými odrůdami grafitu a uhlíkovými nanotrubičkami se pokusily zvýšit kapacitu, ale přinesly vysoké náklady na zpracování.Slitinové anody a intermetalické sloučeniny mají vysoké kapacity, ale také vykazují dramatickou změnu objemu, což má za následek špatné cyklické chování.Bylo vynaloženo úsilí k překonání objemové změny použitím nanokrystalických materiálů a tím, že slitinová fáze (s Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn a dalšími) v nelegující stabilizační matrici (s Co, Cu, Fe, popř. Ni).Křemík má extrémně vysokou kapacitu 4 199 mAh/g, což odpovídá složení Si ₅ Li ₂₂ .Chování při jízdě na kole je však špatné a slábnutí kapacity ještě není pochopeno.

Elektrolyty

Bezpečná baterie s dlouhou životností potřebuje robustní elektrolyt, který odolá stávajícímu napětí a vysokým teplotám a který má dlouhou životnost a zároveň nabízí vysokou mobilitu pro lithiové ionty.Typy zahrnují tekuté, polymerní a pevné elektrolyty. ¹¹ Kapalné elektrolyty jsou většinou organické elektrolyty na bázi rozpouštědel obsahující LiBC ₄ Ó ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], nebo podobné.Nejdůležitější je jejich hořlavost;nejvýkonnější rozpouštědla mají nízké body varu a mají body vzplanutí kolem 30 °C.Nebezpečí proto představuje odvětrání nebo výbuch článku a následně i baterie.Rozklad elektrolytu a vysoce exotermické vedlejší reakce v lithium-iontových bateriích mohou vytvořit efekt známý jako „tepelný útěk“.Výběr elektrolytu tedy často zahrnuje kompromis mezi hořlavostí a elektrochemickým výkonem.

Separátory mají vestavěné mechanismy tepelného vypínání a k modulům a bateriovým sadám jsou přidány další externí sofistikované systémy řízení teploty.Iontové kapaliny jsou zvažovány kvůli jejich tepelné stabilitě, ale mají velké nevýhody, jako je rozpouštění lithia z anody.

Polymerní elektrolyty jsou iontově vodivé polymery.Často jsou v kompozitech smíchány s keramickými nanočásticemi, což má za následek vyšší vodivost a odolnost vůči vyššímu napětí.Kromě toho by polymerní elektrolyty díky své vysoké viskozitě a chování kvazi pevné látky mohly inhibovat růst lithiových dendritů. ¹³ a mohl by být proto použit s lithiovými kovovými anodami.

Pevné elektrolyty jsou lithium-iontové vodivé krystaly a keramická skla.Vykazují velmi špatný výkon při nízkých teplotách, protože pohyblivost lithia v pevné látce je při nízkých teplotách značně snížena.Pevné elektrolyty navíc potřebují speciální depoziční podmínky a teplotní zpracování, aby se dosáhlo přijatelného chování, což je činí extrémně drahými při použití, ačkoli eliminují potřebu separátorů a riziko tepelného úniku.

Separátory

Dobrý přehled materiálů a potřeb separátoru poskytují P. Arora a Z. Zhang. ¹⁴ Jak jeho název napovídá, oddělovač baterie odděluje obě elektrody fyzicky od sebe, čímž se zabrání zkratu.V případě kapalného elektrolytu je separátorem pěnový materiál, který je nasáklý elektrolytem a drží jej na místě.Musí to být elektronický izolátor a zároveň mít minimální odolnost vůči elektrolytu, maximální mechanickou stabilitu a chemickou odolnost vůči degradaci ve vysoce elektrochemicky aktivním prostředí.Kromě toho má separátor často bezpečnostní funkci zvanou „tepelné vypnutí“;při zvýšených teplotách se roztaví nebo uzavře své póry, aby se zastavil transport lithium-iontů, aniž by ztratila svou mechanickou stabilitu.Separátory jsou buď syntetizovány v listech a sestaveny s elektrodami, nebo naneseny na jednu elektrodu in situ.Z hlediska nákladů je výhodnější posledně jmenovaný způsob, ale představuje některé další problémy se syntézou, manipulací a mechanickými problémy.Elektrolyty v pevné fázi a některé polymerní elektrolyty nepotřebují žádný separátor.