Hvaða efni eru í litíumjónarafhlöðu?

Nýjasta bakskautsefni innihalda litíum-málm oxíð [eins og LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , og Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadíumoxíð, ólívín (eins og LiFePO ₄ ), og endurhlaðanleg litíumoxíð. ^11,12 Lagskipt oxíð sem innihalda kóbalt og nikkel eru mest rannsakað efni fyrir litíumjónarafhlöður.Þeir sýna mikinn stöðugleika á háspennusviðinu en kóbalt hefur takmarkað framboð í náttúrunni og er eitrað, sem er gríðarlegur galli fyrir fjöldaframleiðslu.Mangan býður upp á ódýran staðgengil með háum hitaþröskuldi og framúrskarandi gengisgetu en takmarkaðri hjólreiðahegðun.Þess vegna eru blöndur af kóbalti, nikkel og mangan oft notaðar til að sameina bestu eiginleikana og lágmarka gallana.Vanadíumoxíð hafa mikla afkastagetu og framúrskarandi hreyfihvörf.Hins vegar, vegna litíuminnsetningar og útdráttar, hefur efnið tilhneigingu til að verða formlaust, sem takmarkar hjólreiðahegðunina.Ólivín eru óeitruð og hafa í meðallagi afkastagetu með lítilli dofningu vegna hjólreiða, en leiðni þeirra er lítil.Aðferðir við að húða efnið hafa verið kynntar sem bæta upp fyrir slæma leiðni, en það bætir nokkrum vinnslukostnaði við rafhlöðuna.

Rafskautsefni

Rafskautsefni eru litíum, grafít, litíumblendiefni, millimálm eða sílikon. ¹¹ Lithium virðist vera einfaldasta efnið en sýnir vandamál með hjólreiðahegðun og dendritic vöxt, sem skapar skammhlaup.Kolefnisformuð rafskaut eru mest notaða rafskautsefnið vegna lágs kostnaðar og framboðs.Hins vegar er fræðileg getu (372 mAh/g) léleg miðað við hleðsluþéttleika litíums (3.862 mAh/g).Sum viðleitni með nýjum grafítafbrigðum og kolefnisnanorörum hefur reynt að auka afkastagetu en hefur leitt til mikils vinnslukostnaðar.Forskaut málmblöndur og málmblöndur hafa mikla afkastagetu en sýna einnig mikla rúmmálsbreytingu, sem leiðir til lélegrar hjólreiðahegðun.Reynt hefur verið að vinna bug á rúmmálsbreytingunni með því að nota nanókristölluð efni og með því að hafa málmblöndufasann (með Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn og fleirum) í óblönduðu stöðugleikafylki (með Co, Cu, Fe, eða Ni).Kísill hefur mjög mikla afkastagetu upp á 4.199 mAh/g, sem samsvarar samsetningu Si ₅ Li ₂₂ .Hins vegar er hjólreiðahegðun léleg og getu minnkandi enn ekki skilin.

Raflausnir

Örugg og endingargóð rafhlaða þarf sterkan raflausn sem þolir núverandi spennu og háan hita og hefur langan geymsluþol á sama tíma og hún býður upp á mikla hreyfanleika fyrir litíumjónir.Tegundir innihalda vökva, fjölliða og raflausn í föstu formi. ¹¹ Fljótandi raflausnir eru að mestu lífrænir, leysiefnislausnir sem innihalda LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], eða álíka.Mikilvægasta atriðið er eldfimi þeirra;Bestu leysiefnin hafa lágt suðumark og blossamark um 30°C.Því stafar hætta af loftræstingu eða sprengingu í klefanum og í kjölfarið rafhlöðunni.Niðurbrot raflausna og mjög útverma hliðarviðbrögð í litíumjónarafhlöðum geta skapað áhrif sem kallast „hitaflug“.Þannig felur val á raflausn oft í sér málamiðlun á milli eldfima og rafefnafræðilegrar frammistöðu.

Skiljarar eru með innbyggðum varmalokunarbúnaði og fleiri ytri háþróuð varmastjórnunarkerfi eru bætt við einingarnar og rafhlöðupakkana.Jónískir vökvar eru til skoðunar vegna hitastöðugleika þeirra en hafa mikla galla, svo sem litíumupplausn úr rafskautinu.

Fjölliða raflausnir eru jónaleiðandi fjölliður.Þeim er oft blandað í samsett efni með keramik nanóögnum, sem leiðir til meiri leiðni og viðnáms gegn hærri spennu.Þar að auki, vegna mikillar seigju þeirra og hálf-fast hegðun, gætu fjölliða raflausnir hindrað vöxt litíumdendríta ¹³ og gæti því verið notað með litíum málmskautum.

Föst raflausn eru litíumjóna leiðandi kristallar og keramikgleraugu.Þeir sýna mjög lélegan árangur við lágan hita vegna þess að litíumhreyfanleiki í föstu efninu minnkar mjög við lágt hitastig.Að auki þurfa fastar raflausnir sérstakar útfellingarskilyrði og hitameðferð til að fá viðunandi hegðun, sem gerir þau mjög dýr í notkun, þó þau útiloki þörfina fyrir skiljur og hættu á hitauppstreymi.

Skiljur

Góð úttekt á efni og þörfum skilju er veitt af P. Arora og Z. Zhang. ¹⁴ Eins og nafnið gefur til kynna aðskilur rafhlöðuskilin rafskautin tvö líkamlega frá hvort öðru og forðast þannig skammhlaup.Ef um er að ræða raflausn í vökvaformi, þá er skiljarinn froðuefni sem er bleytt með raflausninni og heldur því á sínum stað.Það þarf að vera rafeindaeinangrunarefni á meðan það hefur lágmarks raflausnþol, hámarks vélrænan stöðugleika og efnaþol gegn niðurbroti í mjög rafefnafræðilega virku umhverfinu.Að auki hefur skiljan oft öryggiseiginleika, sem kallast „hitastöðvun“;við hærra hitastig bráðnar það eða lokar svitaholum sínum til að loka fyrir litíumjónaflutninginn án þess að missa vélrænan stöðugleika.Skiljarar eru annað hvort smíðaðar í blöð og settar saman með rafskautunum eða settar á eina rafskaut á staðnum.Kostnaðarlega séð er hið síðarnefnda ákjósanlegasta aðferðin en hefur í för með sér önnur myndun, meðhöndlun og vélræn vandamál.Raflausnir í föstu formi og sumir fjölliða raflausnir þurfa ekki skilju.