Millised materjalid on liitiumioonakudes?

Tipptasemel katoodmaterjalide hulka kuuluvad liitium-metalloksiidid [nagu LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ ja Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanaadiumoksiidid, oliviinid (nt LiFePO ₄ ) ja laetavad liitiumoksiidid. ^11,12 Koobaltit ja niklit sisaldavad kihilised oksiidid on liitiumioonakude jaoks enim uuritud materjalid.Need näitavad kõrgepingevahemikus suurt stabiilsust, kuid koobalti kättesaadavus looduses on piiratud ja see on mürgine, mis on masstootmise jaoks tohutu puudus.Mangaan pakub madalat asendust kõrge termilise läve ja suurepäraste kiirusvõimalustega, kuid piiratud jalgrattakäitumisega.Seetõttu kasutatakse parimate omaduste ühendamiseks ja puuduste minimeerimiseks sageli koobalti, nikli ja mangaani segusid.Vanaadiumoksiididel on suur maht ja suurepärane kineetika.Liitiumi sisestamise ja ekstraheerimise tõttu kipub materjal aga muutuma amorfseks, mis piirab jalgrattakäitumist.Oliviinid on mittetoksilised ja mõõduka võimsusega, tuhmuvad rattasõidu tõttu vähe, kuid nende juhtivus on madal.Kasutusele on võetud materjali katmise meetodid, mis korvavad halva juhtivuse, kuid see lisab aku töötlemiskulusid.

Anoodi materjalid

Anoodimaterjalid on liitium, grafiit, liitiumi legeerivad materjalid, intermetallilised materjalid või räni. ¹¹ Liitium näib olevat kõige otsesem materjal, kuid sellel on probleeme jalgrattakäitumise ja dendriitide kasvuga, mis tekitab lühiseid.Süsinikanoodid on nende madala hinna ja kättesaadavuse tõttu enim kasutatud anoodimaterjal.Siiski on teoreetiline võimsus (372 mAh/g) kehv võrreldes liitiumi laengutihedusega (3862 mAh/g).Mõned jõupingutused uudsete grafiidisortide ja süsiniknanotorudega on püüdnud suurendada võimsust, kuid need on toonud kaasa kõrgete töötlemiskulude hinnaga.Sulamist anoodid ja intermetallilised ühendid on suure võimsusega, kuid näitavad ka dramaatilist mahumuutust, mille tulemuseks on halb jalgrattakäitumine.Mahumuutuse ületamiseks on tehtud jõupingutusi nanokristalliliste materjalide kasutamise ja sulami faasi (koos Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn ja teistega) mittelegeeris stabiliseerimismaatriksis (koos Co, Cu, Fe või teistega). Ni).Ränil on äärmiselt suur võimsus 4199 mAh/g, mis vastab Si koostisele ₅ Li ₂₂ .Rattasõidukäitumine on aga kehv ja võimekuse hääbumist pole veel mõistetud.

Elektrolüüdid

Ohutu ja kauakestev aku vajab tugevat elektrolüüti, mis talub olemasolevat pinget ja kõrgeid temperatuure ning millel on pikk säilivusaeg, pakkudes samas liitiumioonidele suurt liikuvust.Tüüpide hulka kuuluvad vedelad, polümeersed ja tahkiselektrolüüdid. ¹¹ Vedelad elektrolüüdid on enamasti orgaanilised lahustipõhised elektrolüüdid, mis sisaldavad LiBC-d ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] või sarnane.Kõige olulisem on nende süttivus;kõige paremini toimivatel lahustitel on madal keemispunkt ja leekpunkt on umbes 30 °C.Seetõttu on elemendi ja sellest tulenevalt aku õhutus või plahvatus oht.Elektrolüütide lagunemine ja ülimalt eksotermilised kõrvalreaktsioonid liitiumioonakudes võivad tekitada efekti, mida tuntakse kui "termilist põgenemist".Seega hõlmab elektrolüüdi valik sageli kompromissi süttivuse ja elektrokeemilise jõudluse vahel.

Separaatoritel on sisseehitatud termoseiskamismehhanismid ning moodulitele ja akupakettidele on lisatud täiendavad välised keerukad soojusjuhtimissüsteemid.Ioonseid vedelikke kaalutakse nende termilise stabiilsuse tõttu, kuid neil on suured puudused, näiteks liitiumi lahustumine anoodist.

Polümeerelektrolüüdid on iooniliselt juhtivad polümeerid.Neid segatakse sageli keraamiliste nanoosakestega komposiitidena, mille tulemuseks on suurem juhtivus ja vastupidavus kõrgematele pingetele.Lisaks võivad polümeerelektrolüüdid oma kõrge viskoossuse ja peaaegu tahke käitumise tõttu takistada liitiumdendriitide kasvu ¹³ ja seetõttu saab seda kasutada liitiummetalli anoodidega.

Tahked elektrolüüdid on liitiumiooni juhtivad kristallid ja keraamilised klaasid.Need on madalal temperatuuril väga halvad, kuna liitiumi liikuvus tahkes aines väheneb madalatel temperatuuridel oluliselt.Lisaks vajavad tahked elektrolüüdid vastuvõetava käitumise saavutamiseks spetsiaalseid sadestustingimusi ja temperatuuritöötlust, mistõttu on nende kasutamine äärmiselt kulukas, kuigi need välistavad separaatorite vajaduse ja termilise põgenemise ohu.

Eraldajad

Hea ülevaate separaatori materjalidest ja vajadustest annavad P. Arora ja Z. Zhang. ¹⁴ Nagu nimigi ütleb, eraldab patarei eraldaja kaks elektroodi füüsiliselt üksteisest, vältides nii lühist.Vedela elektrolüüdi puhul on separaatoriks vahtmaterjal, mis on elektrolüüdiga läbi imbunud ja hoiab seda paigal.See peab olema elektrooniline isolaator, millel peab olema minimaalne elektrolüütide vastupidavus, maksimaalne mehaaniline stabiilsus ja keemiline vastupidavus lagunemisele väga elektrokeemiliselt aktiivses keskkonnas.Lisaks on separaatoril sageli turvafunktsioon, mida nimetatakse "termiliseks väljalülitamiseks";kõrgel temperatuuril sulab või sulgeb oma poorid, et sulgeda liitiumioonide transport, kaotamata seejuures oma mehaanilist stabiilsust.Separaatorid sünteesitakse lehtedena ja monteeritakse koos elektroodidega või sadestatakse ühele elektroodile in situ.Kulude poolest on eelistatud meetod, kuid sellega kaasnevad ka muud sünteesi-, käsitsemis- ja mehaanilised probleemid.Tahkiselektrolüüdid ja mõned polümeerelektrolüüdid ei vaja eraldajat.