Bahan apa yang ada dalam baterai lithium ion?

Bahan katoda canggih termasuk lithium-metal oksida [seperti LiCoO ₂ , LiMn ₂ HAI ₄ , dan Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadium oksida, olivin (seperti LiFePO ₄ ), dan litium oksida yang dapat diisi ulang. ^11,12 Oksida berlapis yang mengandung kobalt dan nikel adalah bahan yang paling banyak dipelajari untuk baterai lithium-ion.Mereka menunjukkan stabilitas tinggi dalam kisaran tegangan tinggi tetapi kobalt memiliki ketersediaan terbatas di alam dan beracun, yang merupakan kelemahan luar biasa untuk pembuatan massal.Mangan menawarkan substitusi berbiaya rendah dengan ambang termal yang tinggi dan kemampuan tingkat yang sangat baik tetapi perilaku bersepeda terbatas.Oleh karena itu, campuran kobalt, nikel, dan mangan sering digunakan untuk menggabungkan sifat terbaik dan meminimalkan kekurangannya.Vanadium oksida memiliki kapasitas besar dan kinetika yang sangat baik.Namun, karena penyisipan dan ekstraksi litium, material cenderung menjadi amorf, yang membatasi perilaku siklus.Olivin tidak beracun dan memiliki kapasitas sedang dengan pudar rendah karena bersepeda, tetapi konduktivitasnya rendah.Metode pelapisan bahan telah diperkenalkan untuk menutupi konduktivitas yang buruk, tetapi ini menambah biaya pemrosesan pada baterai.

Bahan Anoda

Bahan anoda adalah litium, grafit, bahan paduan litium, intermetalik, atau silikon. ¹¹ Litium tampaknya merupakan bahan yang paling lurus ke depan tetapi menunjukkan masalah dengan perilaku bersepeda dan pertumbuhan dendritik, yang menyebabkan korsleting.Anoda karbon adalah bahan anodik yang paling banyak digunakan karena biaya dan ketersediaannya yang rendah.Namun, kapasitas teoretis (372 mAh/g) buruk dibandingkan dengan kerapatan muatan litium (3.862 mAh/g).Beberapa upaya dengan varietas grafit baru dan tabung nano karbon telah mencoba untuk meningkatkan kapasitas tetapi harus dibayar dengan biaya pemrosesan yang tinggi.Anoda paduan dan senyawa intermetalik memiliki kapasitas tinggi tetapi juga menunjukkan perubahan volume yang dramatis, yang mengakibatkan perilaku siklus yang buruk.Upaya telah dilakukan untuk mengatasi perubahan volume dengan menggunakan bahan nanokristalin dan dengan memiliki fasa paduan (dengan Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, dan lainnya) dalam matriks stabilisasi nonpaduan (dengan Co, Cu, Fe, atau Ni).Silikon memiliki kapasitas yang sangat tinggi yaitu 4.199 mAh/g, sesuai dengan komposisi Si ₅ Li ₂₂ .Namun, perilaku bersepeda buruk, dan pemudaran kapasitas belum dipahami.

Elektrolit

Baterai yang aman dan tahan lama membutuhkan elektrolit yang kuat yang dapat menahan voltase yang ada dan suhu tinggi serta memiliki umur simpan yang lama sekaligus menawarkan mobilitas tinggi untuk ion litium.Jenis termasuk cairan, polimer, dan elektrolit padat. ¹¹ Elektrolit cair sebagian besar organik, elektrolit berbasis pelarut yang mengandung LiBC ₄ HAI ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], atau serupa.Pertimbangan terpenting adalah sifat mudah terbakarnya;pelarut dengan kinerja terbaik memiliki titik didih rendah dan memiliki titik nyala sekitar 30°C.Oleh karena itu, pelepasan atau ledakan sel dan selanjutnya baterai menimbulkan bahaya.Dekomposisi elektrolit dan reaksi samping yang sangat eksotermik dalam baterai lithium-ion dapat menciptakan efek yang dikenal sebagai “pelarian termal”.Dengan demikian, pemilihan elektrolit sering melibatkan pertukaran antara sifat mudah terbakar dan kinerja elektrokimia.

Pemisah memiliki mekanisme penghentian termal internal, dan sistem manajemen termal canggih eksternal tambahan ditambahkan ke modul dan kemasan baterai.Cairan ionik sedang dipertimbangkan karena stabilitas termalnya tetapi memiliki kelemahan utama, seperti disolusi litium dari anoda.

Elektrolit polimer adalah polimer konduktif secara ionik.Mereka sering dicampur dalam komposit dengan nanopartikel keramik, menghasilkan konduktivitas yang lebih tinggi dan ketahanan terhadap voltase yang lebih tinggi.Selain itu, karena viskositasnya yang tinggi dan perilaku semi-padatnya, elektrolit polimer dapat menghambat pertumbuhan dendrit litium ¹³ dan karena itu dapat digunakan dengan anoda logam litium.

Elektrolit padat adalah kristal konduktif lithium-ion dan gelas keramik.Mereka menunjukkan kinerja suhu rendah yang sangat buruk karena mobilitas litium dalam padatan sangat berkurang pada suhu rendah.Selain itu, elektrolit padat membutuhkan kondisi pengendapan khusus dan perlakuan suhu untuk mendapatkan perilaku yang dapat diterima, membuatnya sangat mahal untuk digunakan, meskipun menghilangkan kebutuhan akan pemisah dan risiko pelepasan panas.

Pemisah

Tinjauan yang baik tentang bahan dan kebutuhan pemisah disediakan oleh P. Arora dan Z. Zhang. ¹⁴ Seperti namanya, pemisah baterai memisahkan kedua elektroda secara fisik satu sama lain, sehingga menghindari korsleting.Dalam kasus elektrolit cair, pemisahnya adalah bahan busa yang direndam dengan elektrolit dan menahannya di tempatnya.Itu harus menjadi isolator elektronik dengan ketahanan elektrolit minimal, stabilitas mekanik maksimum, dan ketahanan kimia terhadap degradasi di lingkungan yang sangat aktif secara elektrokimia.Selain itu, separator seringkali memiliki fitur keselamatan, yang disebut “thermal shutdown;”pada suhu tinggi, ia meleleh atau menutup pori-porinya untuk mematikan transportasi lithium-ion tanpa kehilangan stabilitas mekanisnya.Pemisah disintesis dalam lembaran dan dirakit dengan elektroda atau disimpan ke satu elektroda in situ.Dari segi biaya, yang terakhir adalah metode yang lebih disukai tetapi menimbulkan beberapa masalah sintesis, penanganan, dan mekanis lainnya.Elektrolit keadaan padat dan beberapa elektrolit polimer tidak memerlukan pemisah.