Pa ddeunyddiau sydd mewn batri ïon lithiwm?

Mae deunyddiau catod o'r radd flaenaf yn cynnwys ocsidau lithiwm-metel [fel LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , a Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadium ocsidau, olifinau (fel LiFePO ₄ ), ac ocsidau lithiwm y gellir eu hailwefru. ^11,12 Ocsidau haenog sy'n cynnwys cobalt a nicel yw'r deunyddiau a astudiwyd fwyaf ar gyfer batris lithiwm-ion.Maent yn dangos sefydlogrwydd uchel yn yr ystod foltedd uchel ond mae gan cobalt argaeledd cyfyngedig mewn natur ac mae'n wenwynig, sy'n anfantais aruthrol ar gyfer gweithgynhyrchu màs.Mae Manganîs yn cynnig amnewidiad cost isel gyda throthwy thermol uchel a galluoedd cyfradd rhagorol ond ymddygiad beicio cyfyngedig.Felly, defnyddir cymysgeddau o cobalt, nicel, a manganîs yn aml i gyfuno'r priodweddau gorau a lleihau'r anfanteision.Mae gan ocsidau fanadiwm allu mawr a chineteg ardderchog.Fodd bynnag, oherwydd mewnosod ac echdynnu lithiwm, mae'r deunydd yn tueddu i ddod yn amorffaidd, sy'n cyfyngu ar yr ymddygiad beicio.Nid yw olewydd yn wenwynig ac mae ganddynt allu cymedrol gyda phylu isel oherwydd beicio, ond mae eu dargludedd yn isel.Mae dulliau gorchuddio'r deunydd wedi'u cyflwyno sy'n gwneud iawn am y dargludedd gwael, ond mae'n ychwanegu rhai costau prosesu i'r batri.

Deunyddiau Anod

Deunyddiau anod yw lithiwm, graffit, deunyddiau aloi lithiwm, intermetallics, neu silicon. ¹¹ Ymddengys mai lithiwm yw'r deunydd mwyaf syml ond mae'n dangos problemau gydag ymddygiad beicio a thwf dendritig, sy'n creu cylchedau byr.Anodau carbonaidd yw'r deunydd anodig a ddefnyddir fwyaf oherwydd eu cost isel a'u hargaeledd.Fodd bynnag, mae'r gallu damcaniaethol (372 mAh/g) yn wael o'i gymharu â dwysedd gwefr lithiwm (3,862 mAh/g).Mae rhai ymdrechion gyda mathau newydd o graffit a nanotiwbiau carbon wedi ceisio cynyddu'r gallu ond maent wedi dod â phris costau prosesu uchel.Mae gan anodau aloi a chyfansoddion rhyngfetelaidd alluoedd uchel ond maent hefyd yn dangos newid cyfaint dramatig, gan arwain at ymddygiad beicio gwael.Mae ymdrechion wedi'u gwneud i oresgyn y newid cyfaint trwy ddefnyddio deunyddiau nanocrystalline a thrwy gael y cyfnod aloi (gyda Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, ac eraill) mewn matrics sefydlogi analloying (gyda Co, Cu, Fe, neu Ni).Mae gan Silicon gynhwysedd uchel iawn o 4,199 mAh / g, sy'n cyfateb i gyfansoddiad Si ₅ Li ₂₂ .Fodd bynnag, mae ymddygiad beicio yn wael, ac ni ddeellir hyd yn hyn pylu cynhwysedd.

electrolytau

Mae angen electrolyte cadarn ar fatri diogel a pharhaol a all wrthsefyll foltedd a thymheredd uchel presennol ac sydd ag oes silff hir wrth gynnig symudedd uchel ar gyfer ïonau lithiwm.Mae mathau'n cynnwys electrolytau hylif, polymer a chyflwr solet. ¹¹ Mae electrolytau hylif yn electrolytau organig yn bennaf, yn seiliedig ar doddydd sy'n cynnwys LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ Dd ₅ ) ₃ ], neu debyg.Yr ystyriaeth bwysicaf yw eu fflamadwyedd;mae gan y toddyddion sy'n perfformio orau berwbwyntiau isel ac mae ganddyn nhw fflachbwyntiau tua 30°C.Felly, mae awyru neu ffrwydrad y gell ac yna'r batri yn peri perygl.Gall dadelfeniad electrolyte ac adweithiau ochr ecsothermig iawn mewn batris lithiwm-ion greu effaith a elwir yn “rhediad thermol.”Felly, mae dewis electrolyt yn aml yn golygu cyfaddawdu rhwng fflamadwyedd a pherfformiad electrocemegol.

Mae gan wahanwyr fecanweithiau diffodd thermol adeiledig, ac mae systemau rheoli thermol soffistigedig allanol ychwanegol yn cael eu hychwanegu at y modiwlau a'r pecynnau batri.Mae hylifau ïonig yn cael eu hystyried oherwydd eu sefydlogrwydd thermol ond mae ganddynt anfanteision mawr, megis diddymu lithiwm allan o'r anod.

Polymerau dargludol ïonig yw electrolytau polymer.Maent yn aml yn cael eu cymysgu mewn cyfansoddion â nanoronynnau ceramig, gan arwain at ddargludedd uwch a gwrthiant i folteddau uwch.Yn ogystal, oherwydd eu gludedd uchel a'u hymddygiad lled-solet, gallai electrolytau polymer atal dendritau lithiwm rhag tyfu ¹³ ac felly gellid ei ddefnyddio gydag anodau metel lithiwm.

Mae electrolytau solid yn grisialau dargludol lithiwm-ion a sbectol ceramig.Maent yn dangos perfformiad tymheredd isel gwael iawn oherwydd bod symudedd lithiwm yn y solid yn cael ei leihau'n fawr ar dymheredd isel.Yn ogystal, mae angen amodau dyddodiad arbennig a thriniaethau tymheredd ar electrolytau solet i gael ymddygiad derbyniol, gan eu gwneud yn hynod ddrud i'w defnyddio, er eu bod yn dileu'r angen am wahanyddion a'r risg o redeg i ffwrdd thermol.

Gwahanwyr

Darperir adolygiad da o ddeunyddiau ac anghenion gwahanyddion gan P. Arora a Z. Zhang. ¹⁴ Fel y mae ei enw'n awgrymu, mae'r gwahanydd batri yn gwahanu'r ddau electrod yn gorfforol oddi wrth ei gilydd, gan osgoi cylched byr.Yn achos electrolyt hylif, mae'r gwahanydd yn ddeunydd ewyn sy'n cael ei socian â'r electrolyte a'i ddal yn ei le.Mae angen iddo fod yn ynysydd electronig tra bod ganddo'r gwrthiant electrolyte lleiaf posibl, y sefydlogrwydd mecanyddol mwyaf posibl, ac ymwrthedd cemegol i ddiraddio yn yr amgylchedd hynod electrocemegol.Yn ogystal, mae gan y gwahanydd nodwedd ddiogelwch yn aml, o'r enw “cau thermol;”ar dymheredd uchel, mae'n toddi neu'n cau ei mandyllau i gau'r cludiant lithiwm-ion heb golli ei sefydlogrwydd mecanyddol.Mae gwahanyddion naill ai'n cael eu syntheseiddio mewn dalennau a'u cydosod â'r electrodau neu eu hadneuo ar un electrod yn y fan a'r lle.Yn gostus, yr olaf yw'r dull gorau ond mae'n achosi rhai problemau synthesis, trin a mecanyddol eraill.Nid oes angen gwahanydd ar electrolytau cyflwr solid a rhai electrolytau polymer.