| Lithium-ion batterimaterialer er væsentlige komponenter i produktionen af lithium-ion batterier , som er meget udbredt i forskellige elektroniske enheder, elektriske køretøjer og vedvarende energisystemer. Disse batterier består af flere nøglematerialer, der arbejder sammen for at lagre og frigive elektrisk energi effektivt. Katode materialer
Avancerede katodematerialer omfatter lithium-metaloxider [såsom LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 og Li(NixMnyCoz)O 2 ], vanadiumoxider, oliviner (såsom LiFePO 4 ), og genopladelige lithiumoxider. 11,12 Lagdelte oxider indeholdende kobolt og nikkel er de mest undersøgte materialer til lithium-ion-batterier. De viser en høj stabilitet i højspændingsområdet, men kobolt har begrænset tilgængelighed i naturen og er giftig, hvilket er en enorm ulempe for massefremstilling. Mangan tilbyder en lavprissubstitution med en høj termisk tærskel og fremragende hastighedsegenskaber, men begrænset cykeladfærd. Derfor bruges blandinger af kobolt, nikkel og mangan ofte til at kombinere de bedste egenskaber og minimere ulemperne. Vanadiumoxider har en stor kapacitet og fremragende kinetik. På grund af lithiumindsættelse og -ekstraktion har materialet dog en tendens til at blive amorft, hvilket begrænser cyklingsadfærden. Oliviner er ugiftige og har en moderat kapacitet med lav fade på grund af cykling, men deres ledningsevne er lav. Metoder til belægning af materialet er blevet introduceret, der gør op for den dårlige ledningsevne, men det tilføjer nogle forarbejdningsomkostninger til batteriet.
Anode materialer
Anodematerialer er lithium, grafit, lithium-legeringsmaterialer, intermetalliske materialer eller silicium. 11 Lithium ser ud til at være det mest ligefremme materiale, men viser problemer med cykeladfærd og dendritisk vækst, som skaber kortslutninger. Kulholdige anoder er det mest anvendte anodiske materiale på grund af deres lave omkostninger og tilgængelighed. Den teoretiske kapacitet (372 mAh/g) er dog dårlig sammenlignet med ladningstætheden af lithium (3.862 mAh/g). Nogle bestræbelser med nye grafitvarianter og kulstofnanorør har forsøgt at øge kapaciteten, men er kommet med prisen på høje forarbejdningsomkostninger. Legeringsanoder og intermetalliske forbindelser har høj kapacitet, men viser også en dramatisk volumenændring, hvilket resulterer i dårlig cyklusadfærd. Der er gjort bestræbelser på at overvinde volumenændringen ved at bruge nanokrystallinske materialer og ved at have legeringsfasen (med Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn og andre) i en ikke-legerende stabiliseringsmatrix (med Co, Cu, Fe eller Ni). Silicium har en ekstrem høj kapacitet på 4.199 mAh/g, svarende til en sammensætning af Si 5 Li 22 . Cykeladfærden er dog dårlig, og kapacitetsudsving er endnu ikke forstået. Elektrolytter
Et sikkert og langtidsholdbart batteri har brug for en robust elektrolyt, der kan modstå eksisterende spænding og høje temperaturer, og som har en lang holdbarhed, samtidig med at den tilbyder en høj mobilitet for lithium-ioner. Typer omfatter væske-, polymer- og faststofelektrolytter. 11 Flydende elektrolytter er for det meste organiske, opløsningsmiddelbaserede elektrolytter indeholdende LiBC 4 O 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], eller lignende. Den vigtigste overvejelse er deres brændbarhed; de bedst ydende opløsningsmidler har lave kogepunkter og har flammepunkter omkring 30°C. Derfor udgør udluftning eller eksplosion af cellen og efterfølgende batteriet en fare. Elektrolytnedbrydning og meget eksoterme sidereaktioner i lithium-ion-batterier kan skabe en effekt kendt som "termisk løbsk". Valg af en elektrolyt involverer således ofte en afvejning mellem brændbarhed og elektrokemisk ydeevne. Udskillere En god gennemgang af separatormaterialer og behov er leveret af P. Arora og Z. Zhang. 14 Som navnet antyder, adskiller batteriseparatoren de to elektroder fysisk fra hinanden og undgår dermed en kortslutning. I tilfælde af en flydende elektrolyt er separatoren et skummateriale, der er gennemblødt med elektrolytten og holder den på plads. Det skal være en elektronisk isolator, samtidig med at den har minimal elektrolytmodstand, maksimal mekanisk stabilitet og kemisk modstand mod nedbrydning i det meget elektrokemisk aktive miljø. Derudover har separatoren ofte en sikkerhedsfunktion, kaldet "termisk shutdown;" ved forhøjede temperaturer smelter eller lukker den sine porer for at lukke ned for lithium-ion-transporten uden at miste sin mekaniske stabilitet. Separatorer syntetiseres enten i plader og samles med elektroderne eller afsættes på en elektrode in situ. Omkostningsmæssigt er sidstnævnte den foretrukne metode, men giver nogle andre syntese-, håndterings- og mekaniske problemer. Faststofelektrolytter og nogle polymerelektrolytter behøver ingen separator. Separatorer har indbyggede termiske nedlukningsmekanismer, og yderligere eksterne sofistikerede termiske styringssystemer er tilføjet til modulerne og batteripakkerne. Ioniske væsker er under overvejelse på grund af deres termiske stabilitet, men har store ulemper, såsom lithiumopløsning ud af anoden. Polymerelektrolytter er ionisk ledende polymerer. De er ofte blandet i kompositter med keramiske nanopartikler, hvilket resulterer i højere ledningsevner og modstand mod højere spændinger. På grund af deres høje viskositet og quasi-faste opførsel kunne polymerelektrolytter desuden hæmme lithiumdendritter i at vokse 13 og kunne derfor bruges sammen med lithiummetalanoder. Faste elektrolytter er lithium-ion-ledende krystaller og keramiske glas. De udviser en meget dårlig ydeevne ved lav temperatur, fordi lithiummobiliteten i det faste stof er stærkt reduceret ved lave temperaturer. Derudover har faste elektrolytter brug for særlige aflejringsbetingelser og temperaturbehandlinger for at opnå acceptabel adfærd, hvilket gør dem ekstremt dyre i brug, selvom de eliminerer behovet for separatorer og risikoen for termisk løb. Som konklusion, lithium ion batteri materialer spiller en afgørende rolle i den overordnede ydeevne og effektivitet af lithium-ion batterier . Igangværende forsknings- og udviklingsbestræbelser fortsætter med at udforske nye materialer og teknologier for yderligere at forbedre ydeevnen og bæredygtigheden af lithium-ion-batterier. |
