Kādi materiāli ir litija jonu akumulatorā?

Vismodernākie katoda materiāli ietver litija-metāla oksīdus [piemēram, LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ un Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanādija oksīdi, olivīni (piemēram, LiFePO ₄ ), un atkārtoti uzlādējami litija oksīdi. ^11,12 Slāņaini oksīdi, kas satur kobaltu un niķeli, ir visvairāk pētītie materiāli litija jonu akumulatoriem.Tiem ir augsta stabilitāte augstsprieguma diapazonā, bet kobaltam ir ierobežota pieejamība dabā un tas ir toksisks, kas ir milzīgs trūkums masveida ražošanā.Mangāns piedāvā zemu izmaksu aizstāšanu ar augstu termisko slieksni un izcilām ātruma iespējām, bet ierobežotu riteņbraukšanas uzvedību.Tāpēc kobalta, niķeļa un mangāna maisījumus bieži izmanto, lai apvienotu labākās īpašības un samazinātu trūkumus.Vanādija oksīdiem ir liela ietilpība un lieliska kinētika.Tomēr litija ievietošanas un ekstrakcijas dēļ materiālam ir tendence kļūt amorfam, kas ierobežo riteņbraukšanas uzvedību.Olivīni nav toksiski un tiem ir mērena ietilpība ar zemu izbalēšanu riteņbraukšanas dēļ, taču to vadītspēja ir zema.Ir ieviestas materiāla pārklāšanas metodes, kas kompensē slikto vadītspēju, taču tas palielina akumulatora apstrādes izmaksas.

Anoda materiāli

Anoda materiāli ir litijs, grafīts, litija sakausējuma materiāli, intermetāliski materiāli vai silīcijs. ¹¹ Šķiet, ka litijs ir vistiešākais materiāls, taču tam ir problēmas ar riteņbraukšanu un dendrītu augšanu, kas rada īssavienojumus.Oglekļa anodi ir visvairāk izmantotais anodiskais materiāls to zemo izmaksu un pieejamības dēļ.Tomēr teorētiskā jauda (372 mAh/g) ir slikta salīdzinājumā ar litija lādiņa blīvumu (3862 mAh/g).Daži centieni ar jaunām grafīta šķirnēm un oglekļa nanocaurulēm ir mēģinājuši palielināt jaudu, taču tie ir radījuši augstās apstrādes izmaksas.Sakausējuma anodiem un intermetāliskajiem savienojumiem ir liela jauda, ​​taču tie arī uzrāda dramatiskas tilpuma izmaiņas, kā rezultātā ir slikta riteņbraukšanas uzvedība.Ir pieliktas pūles, lai pārvarētu tilpuma izmaiņas, izmantojot nanokristāliskos materiālus un sakausējuma fāzi (ar Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn un citiem) neleģējošā stabilizācijas matricā (ar Co, Cu, Fe vai Ni).Silīcijam ir ārkārtīgi liela jauda 4199 mAh/g, kas atbilst Si sastāvam ₅ Li ₂₂ .Tomēr riteņbraukšanas uzvedība ir slikta, un jaudas samazināšanās vēl nav saprotama.

Elektrolīti

Drošam un ilgstošam akumulatoram ir nepieciešams izturīgs elektrolīts, kas spēj izturēt esošo spriegumu un augstu temperatūru un kam ir ilgs glabāšanas laiks, vienlaikus nodrošinot litija jonu augstu mobilitāti.To veidi ietver šķidros, polimēru un cietvielu elektrolītus. ¹¹ Šķidrie elektrolīti galvenokārt ir organiski, uz šķīdinātāju bāzes izgatavoti elektrolīti, kas satur LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] vai līdzīgu.Vissvarīgākais apsvērums ir to uzliesmojamība;labākajiem šķīdinātājiem ir zems viršanas punkts un uzliesmošanas temperatūra ir aptuveni 30°C.Tāpēc elementa un pēc tam akumulatora atgaisošana vai eksplozija rada briesmas.Elektrolītu sadalīšanās un ļoti eksotermiskas blakusreakcijas litija jonu akumulatoros var radīt efektu, kas pazīstams kā "termiskā bēgšana".Tādējādi elektrolīta izvēle bieži ietver kompromisu starp uzliesmojamību un elektroķīmisko veiktspēju.

Atdalītājiem ir iebūvēti termiskās izslēgšanas mehānismi, un moduļiem un akumulatoru komplektiem ir pievienotas papildu ārējās, sarežģītas siltuma vadības sistēmas.Jonu šķidrumi tiek apsvērti to termiskās stabilitātes dēļ, taču tiem ir būtiski trūkumi, piemēram, litija izšķīšana no anoda.

Polimēru elektrolīti ir jonus vadoši polimēri.Tie bieži tiek sajaukti kompozītmateriālos ar keramikas nanodaļiņām, kā rezultātā ir augstāka vadītspēja un izturība pret augstākiem spriegumiem.Turklāt polimēru elektrolīti to augstās viskozitātes un gandrīz cietās uzvedības dēļ var kavēt litija dendrītu augšanu. ¹³ un tāpēc to var izmantot ar litija metāla anodiem.

Cietie elektrolīti ir litija jonu vadošie kristāli un keramikas stikli.Tiem ir ļoti slikta veiktspēja zemā temperatūrā, jo litija mobilitāte cietā vielā ir ievērojami samazināta zemā temperatūrā.Turklāt cietajiem elektrolītiem ir nepieciešami īpaši nogulsnēšanās apstākļi un temperatūras apstrāde, lai iegūtu pieņemamu darbību, padarot tos ļoti dārgus lietošanā, lai gan tie novērš vajadzību pēc separatoriem un novērš termiskās noplūdes risku.

Atdalītāji

Labu pārskatu par separatora materiāliem un vajadzībām sniedz P. Arora un Z. Zhang. ¹⁴ Kā norāda nosaukums, akumulatora separators fiziski atdala divus elektrodus vienu no otra, tādējādi izvairoties no īssavienojuma.Šķidra elektrolīta gadījumā separators ir putu materiāls, kas ir piesūcināts ar elektrolītu un notur to vietā.Tam ir jābūt elektroniskam izolatoram, vienlaikus nodrošinot minimālu elektrolītu pretestību, maksimālu mehānisko stabilitāti un ķīmisko izturību pret degradāciju ļoti elektroķīmiski aktīvā vidē.Turklāt separatoram bieži ir drošības līdzeklis, ko sauc par “termisko izslēgšanu”;paaugstinātā temperatūrā tas izkūst vai aizver poras, lai apturētu litija jonu transportēšanu, nezaudējot savu mehānisko stabilitāti.Atdalītājus vai nu sintezē loksnēs un samontē ar elektrodiem, vai uzklāj uz viena elektroda in situ.Izmaksu ziņā pēdējā ir ieteicamākā metode, taču tā rada dažas citas sintēzes, apstrādes un mehāniskas problēmas.Cietvielu elektrolītiem un dažiem polimēru elektrolītiem nav nepieciešams separators.