Koji su materijali u litij-ionskoj bateriji?

Najsuvremeniji katodni materijali uključuju litij-metalne okside [kao što je LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ i Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadijevi oksidi, olivini (kao što je LiFePO ₄ ), i punjive litijeve okside. ^11,12 Slojeviti oksidi koji sadrže kobalt i nikal najviše su proučavani materijali za litij-ionske baterije.Pokazuju visoku stabilnost u području visokog napona, ali kobalt je ograničeno dostupan u prirodi i toksičan je, što je veliki nedostatak za masovnu proizvodnju.Mangan nudi jeftinu zamjenu s visokim toplinskim pragom i izvrsnim mogućnostima brzine, ali ograničenim cikličkim ponašanjem.Stoga se mješavine kobalta, nikla i mangana često koriste kako bi se kombinirala najbolja svojstva i smanjili nedostaci.Vanadijevi oksidi imaju veliki kapacitet i izvrsnu kinetiku.Međutim, zbog umetanja i ekstrakcije litija, materijal ima tendenciju postati amorfan, što ograničava ponašanje ciklusa.Olivini su netoksični i imaju umjereni kapacitet s niskim gubitkom uslijed cikliranja, ali im je vodljivost niska.Uvedene su metode premazivanja materijala koje nadoknađuju lošu vodljivost, ali dodaju neke troškove obrade bateriji.

Anodni materijali

Anodni materijali su litij, grafit, materijali za slitinu litija, intermetali ili silicij. ¹¹ Čini se da je litij najjednostavniji materijal, ali pokazuje probleme s cikličkim ponašanjem i rastom dendrita, što stvara kratke spojeve.Ugljične anode su najkorišteniji anodni materijal zbog niske cijene i dostupnosti.Međutim, teoretski kapacitet (372 mAh/g) je loš u usporedbi s gustoćom naboja litija (3862 mAh/g).Neki napori s novim vrstama grafita i ugljikovim nanocijevima pokušali su povećati kapacitet, ali su došli uz cijenu visokih troškova obrade.Anode od legura i intermetalni spojevi imaju velike kapacitete, ali također pokazuju dramatičnu promjenu volumena, što rezultira lošim ponašanjem ciklusa.Uloženi su napori da se prevlada promjena volumena korištenjem nanokristalnih materijala i postojanjem legirane faze (s Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn i drugima) u nelegirajućoj stabilizacijskoj matrici (s Co, Cu, Fe ili Ni).Silicij ima izuzetno visok kapacitet od 4,199 mAh/g, što odgovara sastavu Si ₅ Li ₂₂ .Međutim, biciklističko ponašanje je loše, a gubitak kapaciteta još nije shvaćen.

elektroliti

Sigurna i dugotrajna baterija treba robustan elektrolit koji može izdržati postojeći napon i visoke temperature i koji ima dug vijek trajanja, a istovremeno nudi visoku pokretljivost za litijeve ione.Vrste uključuju tekuće, polimerne i elektrolite u čvrstom stanju. ¹¹ Tekući elektroliti su uglavnom organski elektroliti na bazi otapala koji sadrže LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] ili slično.Najvažnije razmatranje je njihova zapaljivost;otapala s najboljim učinkom imaju niska vrelišta i plamište oko 30°C.Stoga ispuštanje ili eksplozija ćelije i posljedično baterije predstavljaju opasnost.Razgradnja elektrolita i vrlo egzotermne nuspojave u litij-ionskim baterijama mogu stvoriti učinak poznat kao "toplinski bijeg".Stoga odabir elektrolita često uključuje kompromis između zapaljivosti i elektrokemijskih svojstava.

Separatori imaju ugrađene mehanizme za isključivanje topline, a modulima i baterijskim paketima dodani su dodatni vanjski sofisticirani sustavi upravljanja toplinom.Ionske tekućine su u razmatranju zbog njihove toplinske stabilnosti, ali imaju velike nedostatke, kao što je otapanje litija izvan anode.

Polimerni elektroliti su ionski vodljivi polimeri.Često se miješaju u kompozitima s keramičkim nanočesticama, što rezultira većom vodljivošću i otpornošću na više napone.Osim toga, zbog svoje visoke viskoznosti i kvazičvrstog ponašanja, polimerni elektroliti mogu spriječiti rast litijevih dendrita ¹³ te bi se stoga mogao koristiti s litijevim metalnim anodama.

Čvrsti elektroliti su litij-ionski vodljivi kristali i keramička stakla.Pokazuju vrlo loše performanse pri niskim temperaturama jer je pokretljivost litija u krutini znatno smanjena pri niskim temperaturama.Osim toga, kruti elektroliti trebaju posebne uvjete taloženja i temperaturne tretmane kako bi se postiglo prihvatljivo ponašanje, što ih čini iznimno skupim za upotrebu, iako eliminiraju potrebu za separatorima i rizik od termičkog bijega.

Separatori

Dobar pregled materijala i potreba separatora dali su P. Arora i Z. Zhang. ¹⁴ Kao što mu ime govori, separator baterije fizički odvaja dvije elektrode jednu od druge, čime se izbjegava kratki spoj.U slučaju tekućeg elektrolita, separator je pjenasti materijal koji je natopljen elektrolitom i drži ga na mjestu.Mora biti elektronički izolator uz minimalnu otpornost na elektrolit, maksimalnu mehaničku stabilnost i kemijsku otpornost na degradaciju u visoko elektrokemijski aktivnom okruženju.Osim toga, separator često ima sigurnosnu značajku koja se naziva "toplinsko isključivanje";na povišenim temperaturama se topi ili zatvara svoje pore kako bi se zaustavio transport litij-iona bez gubitka mehaničke stabilnosti.Separatori se ili sintetiziraju u pločama i spajaju s elektrodama ili se talože na jednu elektrodu in situ.Što se tiče troškova, potonja je poželjnija metoda, ali postavlja neke druge probleme sinteze, rukovanja i mehaničkih problema.Elektroliti u čvrstom stanju i neki polimerni elektroliti ne trebaju separator.