Ποια υλικά υπάρχουν σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου;

Τα υλικά καθόδου τελευταίας τεχνολογίας περιλαμβάνουν οξείδια λιθίου-μετάλλου [όπως το LiCoO ₂ , LiMn ₂ Ο ₄ και Li(NixMnyCoz)O ₂ ], οξείδια βαναδίου, ολιβίνες (όπως LiFePO ₄ ), και επαναφορτιζόμενα οξείδια λιθίου. ^11,12 Τα πολυεπίπεδα οξείδια που περιέχουν κοβάλτιο και νικέλιο είναι τα πιο μελετημένα υλικά για μπαταρίες ιόντων λιθίου.Παρουσιάζουν υψηλή σταθερότητα στο εύρος υψηλής τάσης, αλλά το κοβάλτιο έχει περιορισμένη διαθεσιμότητα στη φύση και είναι τοξικό, κάτι που αποτελεί τεράστιο μειονέκτημα για τη μαζική παραγωγή.Το μαγγάνιο προσφέρει μια υποκατάσταση χαμηλού κόστους με υψηλό θερμικό κατώφλι και εξαιρετικές δυνατότητες ταχύτητας αλλά περιορισμένη συμπεριφορά ποδηλασίας.Ως εκ τούτου, μίγματα κοβαλτίου, νικελίου και μαγγανίου χρησιμοποιούνται συχνά για να συνδυάσουν τις καλύτερες ιδιότητες και να ελαχιστοποιήσουν τα μειονεκτήματα.Τα οξείδια του βαναδίου έχουν μεγάλη χωρητικότητα και εξαιρετική κινητική.Ωστόσο, λόγω της εισαγωγής και εξαγωγής λιθίου, το υλικό τείνει να γίνει άμορφο, γεγονός που περιορίζει τη συμπεριφορά του κύκλου.Οι ολιβίνες είναι μη τοξικές και έχουν μέτρια χωρητικότητα με χαμηλή εξασθένιση λόγω της ανακύκλωσης, αλλά η αγωγιμότητά τους είναι χαμηλή.Έχουν εισαχθεί μέθοδοι επίστρωσης του υλικού που αντισταθμίζουν την κακή αγωγιμότητα, αλλά προσθέτει κάποιο κόστος επεξεργασίας στην μπαταρία.

Υλικά ανόδου

Τα υλικά ανόδου είναι λίθιο, γραφίτης, υλικά κραμάτων λιθίου, διαμεταλλικά ή πυρίτιο. ¹¹ Το λίθιο φαίνεται να είναι το πιο απλό υλικό, αλλά παρουσιάζει προβλήματα με την ποδηλατική συμπεριφορά και την ανάπτυξη δενδριτών, η οποία δημιουργεί βραχυκυκλώματα.Οι ανθρακικές άνοδοι είναι το πιο χρησιμοποιούμενο ανοδικό υλικό λόγω του χαμηλού κόστους και της διαθεσιμότητάς τους.Ωστόσο, η θεωρητική χωρητικότητα (372 mAh/g) είναι κακή σε σύγκριση με την πυκνότητα φορτίου του λιθίου (3.862 mAh/g).Ορισμένες προσπάθειες με νέες ποικιλίες γραφίτη και νανοσωλήνες άνθρακα προσπάθησαν να αυξήσουν την χωρητικότητα, αλλά είχαν το τίμημα του υψηλού κόστους επεξεργασίας.Οι άνοδοι από κράμα και οι διαμεταλλικές ενώσεις έχουν υψηλές χωρητικότητες αλλά παρουσιάζουν επίσης δραματική αλλαγή όγκου, με αποτέλεσμα κακή συμπεριφορά ποδηλασίας.Έχουν γίνει προσπάθειες για να ξεπεραστεί η αλλαγή όγκου χρησιμοποιώντας νανοκρυσταλλικά υλικά και έχοντας τη φάση του κράματος (με Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn και άλλα) σε μια μήτρα σταθεροποίησης χωρίς κράμα (με Co, Cu, Fe ή Ni).Το πυρίτιο έχει εξαιρετικά υψηλή χωρητικότητα 4.199 mAh/g, που αντιστοιχεί σε σύνθεση Si ₅ Li ₂₂ .Ωστόσο, η ποδηλατική συμπεριφορά είναι κακή και η εξασθένιση της χωρητικότητας δεν είναι ακόμη κατανοητή.

Ηλεκτρολύτες

Μια ασφαλής και μακράς διάρκειας μπαταρία χρειάζεται έναν ισχυρό ηλεκτρολύτη που να μπορεί να αντέξει την υπάρχουσα τάση και τις υψηλές θερμοκρασίες και να έχει μεγάλη διάρκεια ζωής ενώ προσφέρει υψηλή κινητικότητα για τα ιόντα λιθίου.Οι τύποι περιλαμβάνουν υγρούς, πολυμερείς και ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης. ¹¹ Οι υγροί ηλεκτρολύτες είναι κυρίως οργανικοί ηλεκτρολύτες με βάση διαλύτες που περιέχουν LiBC ₄ Ο ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (ΝΤΟ ₂ φά ₅ ) ₃ ], ή παρόμοιο.Το πιο σημαντικό στοιχείο είναι η ευφλεκτότητά τους.Οι διαλύτες με την καλύτερη απόδοση έχουν χαμηλά σημεία βρασμού και σημεία ανάφλεξης γύρω στους 30°C.Επομένως, η εξαέρωση ή η έκρηξη της κυψέλης και στη συνέχεια της μπαταρίας αποτελούν κίνδυνο.Η αποσύνθεση ηλεκτρολυτών και οι εξαιρετικά εξώθερμες παρενέργειες στις μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν να δημιουργήσουν ένα φαινόμενο γνωστό ως «θερμική διαφυγή».Έτσι, η επιλογή ενός ηλεκτρολύτη συχνά περιλαμβάνει μια αντιστάθμιση μεταξύ ευφλεκτότητας και ηλεκτροχημικής απόδοσης.

Οι διαχωριστές διαθέτουν ενσωματωμένους μηχανισμούς θερμικής απενεργοποίησης και πρόσθετα εξωτερικά εξελιγμένα συστήματα διαχείρισης θερμότητας προστίθενται στις μονάδες και στα πακέτα μπαταριών.Τα ιοντικά υγρά εξετάζονται λόγω της θερμικής τους σταθερότητας αλλά έχουν σημαντικά μειονεκτήματα, όπως η διάλυση του λιθίου έξω από την άνοδο.

Οι ηλεκτρολύτες πολυμερών είναι ιοντικά αγώγιμα πολυμερή.Συχνά αναμιγνύονται σε σύνθετα υλικά με κεραμικά νανοσωματίδια, με αποτέλεσμα υψηλότερη αγωγιμότητα και αντίσταση σε υψηλότερες τάσεις.Επιπλέον, λόγω του υψηλού ιξώδους και της οιονεί στερεάς συμπεριφοράς τους, οι ηλεκτρολύτες πολυμερών θα μπορούσαν να εμποδίσουν την ανάπτυξη των δενδριτών του λιθίου ¹³ και επομένως θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με ανόδους μετάλλου λιθίου.

Οι στερεοί ηλεκτρολύτες είναι αγώγιμοι κρύσταλλοι ιόντων λιθίου και κεραμικά γυαλιά.Παρουσιάζουν πολύ κακή απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία επειδή η κινητικότητα του λιθίου στο στερεό μειώνεται σημαντικά σε χαμηλές θερμοκρασίες.Επιπλέον, οι στερεοί ηλεκτρολύτες χρειάζονται ειδικές συνθήκες εναπόθεσης και επεξεργασίες θερμοκρασίας για να αποκτήσουν αποδεκτή συμπεριφορά, καθιστώντας τους εξαιρετικά δαπανηρούς στη χρήση, αν και εξαλείφουν την ανάγκη για διαχωριστές και τον κίνδυνο θερμικής διαφυγής.

Διαχωριστές

Μια καλή ανασκόπηση των υλικών και των αναγκών του διαχωριστή παρέχεται από τους P. Arora και Z. Zhang. ¹⁴ Όπως υποδηλώνει το όνομά του, ο διαχωριστής μπαταρίας διαχωρίζει φυσικά τα δύο ηλεκτρόδια το ένα από το άλλο, αποφεύγοντας έτσι ένα βραχυκύκλωμα.Στην περίπτωση ενός υγρού ηλεκτρολύτη, ο διαχωριστής είναι ένα αφρώδες υλικό που είναι εμποτισμένο με τον ηλεκτρολύτη και τον συγκρατεί στη θέση του.Πρέπει να είναι ηλεκτρονικός μονωτήρας ενώ έχει ελάχιστη αντίσταση ηλεκτρολύτη, μέγιστη μηχανική σταθερότητα και χημική αντίσταση στην υποβάθμιση στο εξαιρετικά ηλεκτροχημικά ενεργό περιβάλλον.Επιπλέον, ο διαχωριστής έχει συχνά ένα χαρακτηριστικό ασφαλείας, που ονομάζεται "θερμική διακοπή λειτουργίας".σε υψηλές θερμοκρασίες, λιώνει ή κλείνει τους πόρους του για να σταματήσει τη μεταφορά ιόντων λιθίου χωρίς να χάσει τη μηχανική του σταθερότητα.Οι διαχωριστές είτε συντίθενται σε φύλλα και συναρμολογούνται με τα ηλεκτρόδια είτε εναποτίθενται σε ένα ηλεκτρόδιο in situ.Από πλευράς κόστους, η τελευταία είναι η προτιμώμενη μέθοδος, αλλά θέτει κάποια άλλα προβλήματα σύνθεσης, χειρισμού και μηχανικών προβλημάτων.Οι ηλεκτρολύτες στερεάς κατάστασης και ορισμένοι ηλεκτρολύτες πολυμερών δεν χρειάζονται διαχωριστή.