რა მასალებია ლითიუმის იონური ბატარეაში?

უახლესი კათოდური მასალები მოიცავს ლითიუმ-მეტალის ოქსიდებს [როგორიცაა LiCoO ₂ , LiMn ₂ ო ₄ და Li(NixMnyCoz)O ₂ ], ვანადიუმის ოქსიდები, ოლივინები (როგორიცაა LiFePO ₄ ), და დატენვის ლითიუმის ოქსიდები. ^11,12 კობალტისა და ნიკელის შემცველი ფენიანი ოქსიდები ყველაზე შესწავლილი მასალაა ლითიუმ-იონური ბატარეებისთვის.ისინი აჩვენებენ მაღალ სტაბილურობას მაღალი ძაბვის დიაპაზონში, მაგრამ კობალტს ბუნებაში შეზღუდული ხელმისაწვდომობა აქვს და ტოქსიკურია, რაც უზარმაზარი ნაკლია მასობრივი წარმოებისთვის.მანგანუმი გთავაზობთ იაფ ჩანაცვლებას მაღალი თერმული ზღურბლით და შესანიშნავი სიჩქარის შესაძლებლობებით, მაგრამ შეზღუდული ველოსიპედის ქცევით.ამიტომ, კობალტის, ნიკელის და მანგანუმის ნარევები ხშირად გამოიყენება საუკეთესო თვისებების შერწყმისა და ნაკლოვანებების შესამცირებლად.ვანადიუმის ოქსიდებს აქვთ დიდი სიმძლავრე და შესანიშნავი კინეტიკა.თუმცა, ლითიუმის შეყვანისა და ამოღების გამო, მასალა მიდრეკილია ამორფული გახდეს, რაც ზღუდავს ველოსიპედის ქცევას.ოლივინები არატოქსიკურია და აქვთ ზომიერი ტევადობა, ველოსიპედის გამო დაბალი ქრება, მაგრამ მათი გამტარობა დაბალია.დაინერგა მასალის დაფარვის მეთოდები, რომლებიც ანაზღაურებს ცუდ გამტარობას, მაგრამ ეს მატებს დამუშავების გარკვეულ ხარჯებს ბატარეას.

ანოდის მასალები

ანოდური მასალებია ლითიუმი, გრაფიტი, ლითიუმის შენადნობი მასალები, ინტერმეტალიკები ან სილიციუმი. ¹¹ ლითიუმი, როგორც ჩანს, ყველაზე სწორი მასალაა, მაგრამ აჩვენებს პრობლემებს ველოსიპედის ქცევასთან და დენდრიტების ზრდასთან, რაც ქმნის მოკლე ჩართვას.ნახშირბადოვანი ანოდები ყველაზე ხშირად გამოყენებული ანოდური მასალაა მათი დაბალი ღირებულებისა და ხელმისაწვდომობის გამო.თუმცა, თეორიული ტევადობა (372 mAh/g) დაბალია ლითიუმის მუხტის სიმკვრივესთან შედარებით (3,862 mAh/g).ზოგიერთი მცდელობა ახალი გრაფიტის ჯიშებითა და ნახშირბადის ნანომილებით ცდილობდა სიმძლავრის გაზრდას, მაგრამ მოჰყვა გადამუშავების მაღალი ხარჯების ფასს.შენადნობის ანოდებს და მეტალთაშორის ნაერთებს აქვთ მაღალი სიმძლავრე, მაგრამ ასევე აჩვენებენ მოცულობის მკვეთრ ცვლილებას, რაც იწვევს ცუდი ველოსიპედის ქცევას.გაწეული იყო ძალისხმევა მოცულობის ცვლილების დასაძლევად ნანოკრისტალური მასალების გამოყენებით და შენადნობის ფაზის (Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn და სხვებთან ერთად) არაშენადნობი სტაბილიზაციის მატრიცაში (Co, Cu, Fe, ან). ნი).სილიკონს აქვს უკიდურესად მაღალი სიმძლავრე 4,199 mAh/g, რაც შეესაბამება Si-ს შემადგენლობას. ₅ ლი ₂₂ .თუმცა, ველოსიპედის ქცევა ცუდია და შესაძლებლობების დაქვეითება ჯერ არ არის გასაგები.

ელექტროლიტები

უსაფრთხო და ხანგრძლივ ბატარეას სჭირდება ძლიერი ელექტროლიტი, რომელიც გაუძლებს არსებულ ძაბვას და მაღალ ტემპერატურას და აქვს ხანგრძლივი შენახვის ვადა, ხოლო ლითიუმის იონების მაღალ მობილურობას უზრუნველყოფს.ტიპებში შედის თხევადი, პოლიმერული და მყარი მდგომარეობის ელექტროლიტები. ¹¹ თხევადი ელექტროლიტები ძირითადად ორგანული, გამხსნელზე დაფუძნებული ელექტროლიტებია, რომლებიც შეიცავს LiBC ₄ ო ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ ფ ₅ ) ₃ ], ან მსგავსი.ყველაზე მნიშვნელოვანი გასათვალისწინებელია მათი აალებადი;საუკეთესო ეფექტურ გამხსნელებს აქვთ დაბალი დუღილის წერტილები და აქვთ აალებადი წერტილები დაახლოებით 30°C.ამიტომ, უჯრედის და შემდგომში ბატარეის ვენტილაცია ან აფეთქება საშიშროებას წარმოადგენს.ელექტროლიტების დაშლა და ძალიან ეგზოთერმული გვერდითი რეაქციები ლითიუმ-იონურ ბატარეებში შეიძლება შექმნას ეფექტი, რომელიც ცნობილია როგორც "თერმული გაქცევა".ამგვარად, ელექტროლიტის შერჩევა ხშირად გულისხმობს აალებადობასა და ელექტროქიმიურ ეფექტურობას შორის გაცვლას.

გამყოფებს აქვთ ჩაშენებული თერმული გამორთვის მექანიზმები და მოდულებსა და ბატარეის პაკეტებს ემატება დამატებითი გარე დახვეწილი თერმული მართვის სისტემები.იონური სითხეები განიხილება მათი თერმული სტაბილურობის გამო, მაგრამ აქვთ ძირითადი ნაკლოვანებები, როგორიცაა ლითიუმის დაშლა ანოდიდან.

პოლიმერული ელექტროლიტები იონურად გამტარ პოლიმერებია.ისინი ხშირად შერეულია კომპოზიტებში კერამიკული ნანონაწილაკებით, რის შედეგადაც უფრო მაღალი გამტარობა და მაღალი ძაბვისადმი წინააღმდეგობა.გარდა ამისა, მათი მაღალი სიბლანტისა და კვაზი-მყარი ქცევის გამო, პოლიმერულ ელექტროლიტებს შეუძლიათ შეაჩერონ ლითიუმის დენდრიტების ზრდა. ¹³ და, შესაბამისად, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითიუმის ლითონის ანოდებთან ერთად.

მყარი ელექტროლიტები არის ლითიუმ-იონის გამტარი კრისტალები და კერამიკული მინები.ისინი აჩვენებენ ძალიან ცუდ შესრულებას დაბალ ტემპერატურაზე, რადგან ლითიუმის მობილურობა მყარში მნიშვნელოვნად მცირდება დაბალ ტემპერატურაზე.გარდა ამისა, მყარ ელექტროლიტებს ესაჭიროებათ სპეციალური დეპონირების პირობები და ტემპერატურული დამუშავება მისაღები ქცევის მისაღებად, რაც მათ გამოყენებას უკიდურესად ძვირად აქცევს, თუმცა ისინი გამორიცხავს გამყოფების საჭიროებას და თერმული გაქცევის რისკს.

გამყოფები

გამყოფი მასალებისა და საჭიროებების კარგი მიმოხილვა მოცემულია P. Arora და Z. Zhang-ის მიერ. ¹⁴ როგორც მისი სახელიდან ჩანს, ბატარეის გამყოფი ორ ელექტროდს ფიზიკურად ჰყოფს ერთმანეთისგან, რითაც თავიდან აიცილებს მოკლე ჩართვას.თხევადი ელექტროლიტის შემთხვევაში, გამყოფი არის ქაფიანი მასალა, რომელიც გაჟღენთილია ელექტროლიტით და აკავებს მას.ის უნდა იყოს ელექტრონული იზოლატორი და ჰქონდეს მინიმალური ელექტროლიტური წინააღმდეგობა, მაქსიმალური მექანიკური სტაბილურობა და ქიმიური წინააღმდეგობა დეგრადაციის მიმართ მაღალ ელექტროქიმიურად აქტიურ გარემოში.გარდა ამისა, გამყოფს ხშირად აქვს უსაფრთხოების ფუნქცია, რომელსაც ეწოდება "თერმული გამორთვა";ამაღლებულ ტემპერატურაზე, ის დნება ან ხურავს თავის ფორებს, რათა დახუროს ლითიუმ-იონის ტრანსპორტი მისი მექანიკური სტაბილურობის დაკარგვის გარეშე.გამყოფები ან სინთეზირებულია ფურცლებში და იკრიბება ელექტროდებთან ერთად, ან დეპონირებულია ერთ ელექტროდზე ადგილზე.ხარჯების თვალსაზრისით, ეს უკანასკნელი სასურველი მეთოდია, მაგრამ აჩენს სხვა სინთეზს, მართვას და მექანიკურ პრობლემებს.მყარი მდგომარეობის ელექტროლიტებს და ზოგიერთ პოლიმერულ ელექტროლიტს არ სჭირდება გამყოფი.