Milyen anyagok vannak a lítium-ion akkumulátorban?

A legmodernebb katódanyagok közé tartoznak a lítium-fém-oxidok [például a LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ és Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanádium-oxidok, olivinek (például LiFePO ₄ ) és újratölthető lítium-oxidok. ^11,12 A lítium-ion akkumulátorok leggyakrabban tanulmányozott anyagai a kobaltot és nikkelt tartalmazó réteges oxidok.Nagyfokú stabilitást mutatnak a nagyfeszültségű tartományban, de a kobalt a természetben korlátozottan hozzáférhető, és mérgező, ami óriási hátrányt jelent a tömeggyártás számára.A mangán alacsony költségű helyettesítést kínál magas termikus küszöbértékkel és kiváló sebességgel, de korlátozott kerékpározási viselkedéssel.Ezért gyakran kobalt, nikkel és mangán keverékét használják a legjobb tulajdonságok kombinálására és a hátrányok minimalizálására.A vanádium-oxidok nagy kapacitással és kiváló kinetikával rendelkeznek.A lítium behelyezése és extrakciója miatt azonban az anyag amorf állapotba kerül, ami korlátozza a kerékpározási viselkedést.Az olivinek nem mérgezőek, közepes kapacitásúak, a kerékpározás miatt alacsony fakulással, de vezetőképességük alacsony.Olyan módszereket vezettek be az anyag bevonására, amelyek pótolják a rossz vezetőképességet, de ez növeli az akkumulátor feldolgozási költségeit.

Anód anyagok

Az anód anyagok a lítium, grafit, lítiumot ötvöző anyagok, intermetallikus anyagok vagy szilícium. ¹¹ Úgy tűnik, hogy a lítium a legegyszerűbb anyag, de problémákat mutat a kerékpározási viselkedéssel és a dendrites növekedéssel, ami rövidzárlatot okoz.A széntartalmú anódok alacsony költségük és elérhetőségük miatt a legtöbbet használt anódos anyag.Az elméleti kapacitás (372 mAh/g) azonban gyenge a lítium töltéssűrűségéhez (3862 mAh/g) képest.Az új grafitfajtákkal és szén nanocsövekkel kapcsolatos erőfeszítések megpróbálták növelni a kapacitást, de ez magas feldolgozási költségekkel járt.Az ötvözött anódok és az intermetallikus vegyületek nagy kapacitással rendelkeznek, de drámai térfogatváltozást is mutatnak, ami rossz kerékpározási viselkedést eredményez.A térfogatváltozást nanokristályos anyagok felhasználásával és az ötvözetfázis (Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn stb.) ötvözetlen stabilizációs mátrixban (Co, Cu, Fe, ill. Ni).A szilícium rendkívül nagy, 4199 mAh/g kapacitással rendelkezik, ami Si összetételének felel meg ₅ Li ₂₂ .A kerékpározási viselkedés azonban gyenge, és a kapacitás csökkenése még nem érthető.

Elektrolitok

A biztonságos és hosszú élettartamú akkumulátorhoz olyan robusztus elektrolitra van szükség, amely ellenáll a fennálló feszültségnek és a magas hőmérsékletnek, és hosszú élettartammal rendelkezik, miközben nagy mobilitást biztosít a lítium-ionok számára.A típusok közé tartoznak a folyékony, polimer és szilárd fázisú elektrolitok. ¹¹ A folyékony elektrolitok többnyire szerves, oldószer alapú, LiBC-t tartalmazó elektrolitok ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], vagy hasonló.A legfontosabb szempont a gyúlékonyságuk;a legjobban teljesítő oldószerek forráspontja alacsony, lobbanáspontja pedig 30°C körüli.Emiatt a cella és ezt követően az akkumulátor légtelenítése vagy felrobbanása veszélyt jelent.Az elektrolit bomlása és a lítium-ion akkumulátorokban végbemenő erősen exoterm mellékreakciók „termikus menekülésnek” nevezett hatást válthatnak ki.Így az elektrolit kiválasztása gyakran magában foglalja a gyúlékonyság és az elektrokémiai teljesítmény közötti kompromisszumot.

A szeparátorok beépített hőleállító mechanizmussal rendelkeznek, és további külső, kifinomult hőkezelési rendszereket adnak a modulokhoz és az akkumulátorcsomagokhoz.Az ionos folyadékok termikus stabilitásuk miatt szóba jöhetnek, de jelentős hátrányaik vannak, például a lítium kioldódása az anódból.

A polimer elektrolitok ionosan vezető polimerek.Gyakran keverik őket kompozitokba kerámia nanorészecskékkel, ami nagyobb vezetőképességet és nagyobb feszültségekkel szembeni ellenállást eredményez.Ezenkívül nagy viszkozitásuk és kvázi szilárd viselkedésük miatt a polimer elektrolitok gátolhatják a lítium-dendritek növekedését ¹³ és ezért lítium fém anódokkal is használható.

A szilárd elektrolitok lítium-ion vezetőképes kristályok és kerámiaüvegek.Alacsony hőmérsékleten nagyon gyenge teljesítményt mutatnak, mivel a lítium mobilitása a szilárd anyagban alacsony hőmérsékleten jelentősen csökken.Ezenkívül a szilárd elektrolitoknak speciális leválasztási körülményekre és hőmérsékleti kezelésekre van szükségük ahhoz, hogy elfogadható viselkedést érjenek el, ami rendkívül költségessé teszi használatukat, bár kiküszöböli a szeparátorok szükségességét és a termikus kifutás kockázatát.

Elválasztók

P. Arora és Z. Zhang jól áttekinti az elválasztó anyagokat és az igényeket. ¹⁴ Ahogy a neve is sugallja, az akkumulátorleválasztó fizikailag elválasztja egymástól a két elektródát, így elkerülhető a rövidzárlat.Folyékony elektrolit esetén a szeparátor egy habanyag, amely az elektrolittal átitatott és a helyén tartja.Elektronikus szigetelőnek kell lennie, miközben minimális elektrolit-ellenállással, maximális mechanikai stabilitással és kémiailag ellenáll a lebomlásnak az erősen elektrokémiailag aktív környezetben.Ezenkívül az elválasztó gyakran rendelkezik egy biztonsági funkcióval, amelyet „termikus leállításnak” neveznek.magas hőmérsékleten megolvad vagy bezárja pórusait, hogy leállítsa a lítium-ion transzportot anélkül, hogy elveszítené mechanikai stabilitását.Az elválasztókat vagy lapokban szintetizálják, és az elektródákkal együtt szerelik össze, vagy in situ egy elektródára helyezik fel.Költség szempontjából az utóbbi az előnyben részesített módszer, de más szintézis-, kezelési és mechanikai problémákat vet fel.A szilárdtest elektrolitokhoz és néhány polimer elektrolithoz nincs szükség szeparátorra.