| Materialien für Lithium-Ionen-Batterien sind wesentliche Bestandteile bei der Herstellung von Lithium-Ionen-Batterien , die in verschiedenen elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und erneuerbaren Energiesystemen weit verbreitet sind. Diese Batterien bestehen aus mehreren Schlüsselmaterialien, die zusammenarbeiten, um elektrische Energie effizient zu speichern und abzugeben. Kathodenmaterialien
Zu den hochmodernen Kathodenmaterialien gehören Lithium-Metalloxide [wie LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , und Li(NixMnyCoz)O 2 ], Vanadiumoxide, Olivine (wie LiFePO 4 ) und wiederaufladbare Lithiumoxide. 11,12 Schichtoxide, die Kobalt und Nickel enthalten, sind die am besten untersuchten Materialien für Lithium-Ionen-Batterien. Sie weisen eine hohe Stabilität im Hochspannungsbereich auf, Kobalt ist jedoch in der Natur nur begrenzt verfügbar und giftig, was einen enormen Nachteil für die Massenfertigung darstellt. Mangan bietet eine kostengünstige Substitution mit einer hohen thermischen Schwelle und hervorragenden Geschwindigkeitseigenschaften, aber begrenztem Zyklenverhalten. Daher werden häufig Mischungen aus Kobalt, Nickel und Mangan verwendet, um die besten Eigenschaften zu kombinieren und die Nachteile zu minimieren. Vanadiumoxide haben eine große Kapazität und eine ausgezeichnete Kinetik. Aufgrund der Lithiumeinlagerung und -extraktion neigt das Material jedoch dazu, amorph zu werden, was das Zyklenverhalten einschränkt. Olivine sind ungiftig und haben eine mäßige Kapazität mit geringem Ausbleichen aufgrund von Zyklen, aber ihre Leitfähigkeit ist gering. Es wurden Methoden zur Beschichtung des Materials eingeführt, die die schlechte Leitfähigkeit ausgleichen, aber die Verarbeitungskosten der Batterie erhöhen.
Anodenmaterialien
Anodenmaterialien sind Lithium, Graphit, Lithiumlegierungsmaterialien, intermetallische Verbindungen oder Silizium. 11 Lithium scheint das einfachste Material zu sein, weist jedoch Probleme mit dem Zyklenverhalten und dem Dendritenwachstum auf, was zu Kurzschlüssen führt. Aufgrund ihrer geringen Kosten und Verfügbarkeit sind kohlenstoffhaltige Anoden das am häufigsten verwendete Anodenmaterial. Allerdings ist die theoretische Kapazität (372 mAh/g) im Vergleich zur Ladungsdichte von Lithium (3.862 mAh/g) schlecht. Einige Versuche mit neuartigen Graphitsorten und Kohlenstoffnanoröhren haben versucht, die Kapazität zu erhöhen, waren jedoch mit hohen Verarbeitungskosten verbunden. Legierungsanoden und intermetallische Verbindungen verfügen über hohe Kapazitäten, zeigen aber auch eine dramatische Volumenänderung, was zu einem schlechten Zyklenverhalten führt. Es wurden Anstrengungen unternommen, um die Volumenänderung zu überwinden, indem nanokristalline Materialien verwendet wurden und die Legierungsphase (mit Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn und anderen) in einer nichtlegierenden Stabilisierungsmatrix (mit Co, Cu, Fe oder anderen) vorliegt Ni). Silizium hat eine extrem hohe Kapazität von 4.199 mAh/g, was einer Zusammensetzung aus Si entspricht 5 Li 22 . Allerdings ist das Radfahrverhalten schlecht und der Leistungsabfall ist noch nicht erforscht. Elektrolyte
Eine sichere und langlebige Batterie benötigt einen robusten Elektrolyten, der der vorhandenen Spannung und hohen Temperaturen standhält, eine lange Haltbarkeit aufweist und gleichzeitig eine hohe Mobilität für Lithium-Ionen bietet. Zu den Typen gehören flüssige, polymere und feste Elektrolyte. 11 Flüssige Elektrolyte sind meist organische, lösungsmittelbasierte Elektrolyte, die LiBC enthalten 4 O 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ] oder ähnliches. Der wichtigste Gesichtspunkt ist ihre Entflammbarkeit; Die leistungsstärksten Lösungsmittel haben niedrige Siedepunkte und Flammpunkte um 30 °C. Daher besteht eine Gefahr durch Entweichen oder Explodieren der Zelle und damit der Batterie. Elektrolytzersetzung und stark exotherme Nebenreaktionen in Lithium-Ionen-Batterien können zu einem Effekt führen, der als „thermisches Durchgehen“ bezeichnet wird. Daher erfordert die Auswahl eines Elektrolyten häufig einen Kompromiss zwischen Entflammbarkeit und elektrochemischer Leistung. Trennzeichen Eine gute Übersicht über Separatormaterialien und -bedürfnisse bieten P. Arora und Z. Zhang. 14 Wie der Name schon sagt, trennt der Batterieseparator die beiden Elektroden räumlich voneinander und vermeidet so einen Kurzschluss. Bei einem flüssigen Elektrolyten ist der Separator ein Schaumstoff, der mit dem Elektrolyten getränkt ist und ihn an Ort und Stelle hält. Es muss ein elektronischer Isolator sein und gleichzeitig einen minimalen Elektrolytwiderstand, maximale mechanische Stabilität und chemische Beständigkeit gegen Zersetzung in der hoch elektrochemisch aktiven Umgebung aufweisen. Darüber hinaus verfügt der Separator oft über eine Sicherheitsfunktion, die sogenannte „thermische Abschaltung“. Bei erhöhten Temperaturen schmilzt es oder verschließt seine Poren, um den Lithium-Ionen-Transport zu unterbrechen, ohne seine mechanische Stabilität zu verlieren. Separatoren werden entweder in Plattenform synthetisiert und mit den Elektroden zusammengebaut oder in situ auf einer Elektrode abgeschieden. Aus Kostengründen ist Letzteres die bevorzugte Methode, wirft jedoch einige andere Synthese-, Handhabungs- und mechanische Probleme auf. Festkörperelektrolyte und einige Polymerelektrolyte benötigen keinen Separator. Separatoren verfügen über integrierte thermische Abschaltmechanismen, und den Modulen und Batteriepaketen werden zusätzliche externe, hochentwickelte Wärmemanagementsysteme hinzugefügt. Ionische Flüssigkeiten werden aufgrund ihrer thermischen Stabilität in Betracht gezogen, weisen jedoch große Nachteile auf, wie beispielsweise die Auflösung von Lithium aus der Anode. Polymerelektrolyte sind ionisch leitfähige Polymere. Sie werden oft in Verbundwerkstoffen mit keramischen Nanopartikeln vermischt, was zu höheren Leitfähigkeiten und Widerstandsfähigkeit gegenüber höheren Spannungen führt. Darüber hinaus könnten Polymerelektrolyte aufgrund ihrer hohen Viskosität und ihres quasi-festen Verhaltens das Wachstum von Lithiumdendriten hemmen 13 und könnte daher mit Lithium-Metall-Anoden verwendet werden. Festelektrolyte sind Lithium-Ionen-leitende Kristalle und Keramikgläser. Sie zeigen eine sehr schlechte Leistung bei niedrigen Temperaturen, da die Lithiummobilität im Feststoff bei niedrigen Temperaturen stark reduziert ist. Darüber hinaus benötigen Festelektrolyte spezielle Abscheidungsbedingungen und Temperaturbehandlungen, um ein akzeptables Verhalten zu erzielen, was ihre Verwendung extrem teuer macht, obwohl sie Separatoren überflüssig machen und das Risiko eines thermischen Durchgehens beseitigen. Abschließend, Materialien für Lithium-Ionen-Batterien spielen eine entscheidende Rolle für die Gesamtleistung und Effizienz von Lithium-Ionen-Batterien . Kontinuierliche Forschungs- und Entwicklungsbemühungen erforschen weiterhin neue Materialien und Technologien, um die Leistung und Nachhaltigkeit von Lithium-Ionen-Batterien weiter zu verbessern. |
