Кои материјали се во литиум-јонската батерија?

Најсовремените катодни материјали вклучуваат литиум-метални оксиди [како LiCoO ₂ , ЛиМн ₂ О ₄ , и Li(NixMnyCoz)O ₂ ], ванадиум оксиди, оливини (како LiFePO ₄ ), и литиум оксиди на полнење. ^11,12 Слоевитите оксиди кои содржат кобалт и никел се најпроучени материјали за литиум-јонски батерии.Тие покажуваат висока стабилност во опсегот на висок напон, но кобалтот има ограничена достапност во природата и е токсичен, што е огромен недостаток за масовното производство.Манганот нуди евтина замена со висок термички праг и одлични можности за стапка, но ограничено однесување на велосипед.Затоа, мешавините од кобалт, никел и манган често се користат за да се комбинираат најдобрите својства и да се минимизираат недостатоците.Оксидите на ванадиум имаат голем капацитет и одлична кинетика.Меѓутоа, поради вметнување и екстракција на литиум, материјалот има тенденција да стане аморфен, што го ограничува однесувањето на велосипедот.Оливините се нетоксични и имаат умерен капацитет со слабо избледување поради возењето велосипед, но нивната спроводливост е мала.Воведени се методи за обложување на материјалот кои ја надоместуваат лошата спроводливост, но додаваат одредени трошоци за обработка на батеријата.

Анодни материјали

Материјалите на анодата се литиум, графит, материјали што легираат на литиум, интерметали или силициум. ¹¹ Се чини дека литиумот е најправилниот материјал, но покажува проблеми со однесувањето на велосипед и растот на дендритите, што создава кратки споеви.Јаглеродните аноди се најкористениот аноден материјал поради нивната ниска цена и достапност.Сепак, теоретскиот капацитет (372 mAh/g) е слаб во споредба со густината на полнењето на литиумот (3.862 mAh/g).Некои напори со нови сорти на графит и јаглеродни наноцевки се обидоа да го зголемат капацитетот, но дојдоа со цената на високите трошоци за обработка.Легираните аноди и меѓуметалните соединенија имаат високи капацитети, но исто така покажуваат драматична промена на волуменот, што резултира со лошо однесување на велосипедот.Направени се напори да се надмине промената на волуменот со употреба на нанокристални материјали и со поставување на фазата на легура (со Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn и други) во нелегирана матрица за стабилизација (со Co, Cu, Fe, или Ни).Силиконот има исклучително висок капацитет од 4.199 mAh/g, што одговара на составот на Si ₅ Ли ₂₂ .Сепак, однесувањето на велосипедот е лошо, а капацитетот сè уште не е разбран.

Електролити

На безбедна и долготрајна батерија му треба робустен електролит кој може да го издржи постоечкиот напон и високи температури и кој има долг рок на траење, а истовремено нуди голема подвижност на јоните на литиум.Видовите вклучуваат течни, полимерни и електролити во цврста состојба. ¹¹ Течните електролити се претежно органски електролити базирани на растворувачи кои содржат LiBC ₄ О ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Ли[ПФ ₃ (В ₂ Ф ₅ ) ₃ ], или слично.Најважното внимание е нивната запаливост;растворувачите со најдобри перформанси имаат ниски точки на вриење и имаат точки на палење околу 30°C.Затоа, вентилацијата или експлозијата на ќелијата и последователно на батеријата претставуваат опасност.Распаѓањето на електролитот и високо егзотермните несакани реакции во литиум-јонските батерии може да создадат ефект познат како „термички бегство“.Така, изборот на електролит често вклучува компромис помеѓу запаливоста и електрохемиските перформанси.

Сепараторите имаат вградени механизми за термичко исклучување, а дополнителни надворешни софистицирани системи за термичко управување се додадени на модулите и батериите.Јонските течности се разгледуваат поради нивната термичка стабилност, но имаат големи недостатоци, како што е растворање на литиум надвор од анодата.

Полимерните електролити се јонски спроводливи полимери.Тие често се мешаат во композити со керамички наночестички, што резултира со поголема спроводливост и отпорност на повисоки напони.Покрај тоа, поради нивниот висок вискозитет и квази-цврсто однесување, полимерните електролити можат да го инхибираат растот на литиумските дендрити ¹³ и затоа може да се користи со литиум метални аноди.

Цврстите електролити се литиум-јонски спроводливи кристали и керамички чаши.Тие покажуваат многу слаби перформанси при ниски температури, бидејќи подвижноста на литиумот во цврстиот материјал е значително намалена при ниски температури.Покрај тоа, на цврстите електролити им требаат посебни услови на таложење и температурни третмани за да се добие прифатливо однесување, што ги прави исклучително скапи во употреба, иако тие ја елиминираат потребата од сепаратори и ризикот од термичко бегство.

Сепаратори

Добар преглед на материјалите и потребите на сепараторот е обезбеден од P. Arora и Z. Zhang. ¹⁴ Како што сугерира неговото име, сепараторот на батеријата ги одвојува двете електроди физички една од друга, со што се избегнува краток спој.Во случај на течен електролит, сепараторот е материјал од пена што е натопен со електролитот и го држи на место.Треба да биде електронски изолатор додека има минимална отпорност на електролит, максимална механичка стабилност и хемиска отпорност на деградација во високо електрохемиски активна средина.Покрај тоа, сепараторот често има безбедносна карактеристика, наречена „термичко исклучување“;на покачени температури, се топи или затвора порите за да го затвори транспортот на литиум-јони без да ја изгуби својата механичка стабилност.Сепараторите или се синтетизираат во листови и се склопуваат со електродите или се депонираат на една електрода in situ.Во однос на трошоците, вториот е префериран метод, но поставува некои други синтеза, ракување и механички проблеми.Електролитите во цврста состојба и некои полимерни електролити немаат потреба од сепаратор.