Apakah bahan yang terdapat dalam bateri ion litium?

Bahan katod terkini termasuk oksida litium-logam [seperti LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , dan Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadium oksida, olivin (seperti LiFePO ₄ ), dan litium oksida boleh dicas semula. ^11,12 Oksida berlapis yang mengandungi kobalt dan nikel adalah bahan yang paling banyak dikaji untuk bateri litium-ion.Mereka menunjukkan kestabilan yang tinggi dalam julat voltan tinggi tetapi kobalt mempunyai ketersediaan terhad dalam alam semula jadi dan toksik, yang merupakan kelemahan yang besar untuk pembuatan besar-besaran.Mangan menawarkan penggantian kos rendah dengan ambang haba yang tinggi dan keupayaan kadar yang sangat baik tetapi tingkah laku berbasikal yang terhad.Oleh itu, campuran kobalt, nikel, dan mangan sering digunakan untuk menggabungkan sifat terbaik dan meminimumkan kelemahan.Vanadium oksida mempunyai kapasiti besar dan kinetik yang sangat baik.Walau bagaimanapun, disebabkan oleh penyisipan dan pengekstrakan litium, bahan tersebut cenderung menjadi amorf, yang mengehadkan tingkah laku berbasikal.Olivin tidak toksik dan mempunyai kapasiti sederhana dengan pudar rendah akibat berbasikal, tetapi kekonduksiannya rendah.Kaedah salutan bahan telah diperkenalkan yang mengimbangi kekonduksian yang lemah, tetapi ia menambahkan beberapa kos pemprosesan kepada bateri.

Bahan Anod

Bahan anod ialah litium, grafit, bahan aloi litium, antara logam, atau silikon. ¹¹ Litium nampaknya merupakan bahan yang paling lurus ke hadapan tetapi menunjukkan masalah dengan tingkah laku berbasikal dan pertumbuhan dendritik, yang mewujudkan litar pintas.Anod karbon adalah bahan anodik yang paling banyak digunakan kerana kos dan ketersediaannya yang rendah.Walau bagaimanapun, kapasiti teori (372 mAh/g) adalah lemah berbanding dengan ketumpatan cas litium (3,862 mAh/g).Beberapa usaha dengan varieti grafit baru dan tiub nano karbon telah cuba meningkatkan kapasiti tetapi telah datang dengan harga kos pemprosesan yang tinggi.Anod aloi dan sebatian antara logam mempunyai kapasiti yang tinggi tetapi juga menunjukkan perubahan isipadu yang dramatik, mengakibatkan tingkah laku berbasikal yang lemah.Usaha telah dibuat untuk mengatasi perubahan isipadu dengan menggunakan bahan nanohabluran dan dengan mempunyai fasa aloi (dengan Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, dan lain-lain) dalam matriks penstabilan tidak mengaloi (dengan Co, Cu, Fe, atau Ni).Silikon mempunyai kapasiti yang sangat tinggi iaitu 4,199 mAh/g, sepadan dengan komposisi Si ₅ Li ₂₂ .Walau bagaimanapun, tingkah laku berbasikal adalah lemah, dan kapasiti pudar masih belum difahami.

Elektrolit

Bateri yang selamat dan tahan lama memerlukan elektrolit teguh yang boleh menahan voltan sedia ada dan suhu tinggi serta mempunyai jangka hayat yang panjang sambil menawarkan mobiliti tinggi untuk ion litium.Jenis termasuk cecair, polimer, dan elektrolit keadaan pepejal. ¹¹ Elektrolit cecair kebanyakannya adalah elektrolit berasaskan pelarut organik yang mengandungi LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], atau sama.Pertimbangan yang paling penting ialah mudah terbakar mereka;pelarut berprestasi terbaik mempunyai takat didih yang rendah dan mempunyai takat kilat sekitar 30°C.Oleh itu, pelepasan atau letupan sel dan seterusnya bateri menimbulkan bahaya.Penguraian elektrolit dan tindak balas sampingan yang sangat eksotermik dalam bateri litium-ion boleh menghasilkan kesan yang dikenali sebagai "pelarian haba."Oleh itu, pemilihan elektrolit selalunya melibatkan pertukaran antara kebolehbakaran dan prestasi elektrokimia.

Pemisah mempunyai mekanisme penutupan terma terbina dalam, dan sistem pengurusan terma canggih luaran tambahan ditambahkan pada modul dan pek bateri.Cecair ionik sedang dipertimbangkan kerana kestabilan termanya tetapi mempunyai kelemahan utama, seperti pembubaran litium keluar dari anod.

Elektrolit polimer ialah polimer konduktif ionik.Mereka sering dicampur dalam komposit dengan nanopartikel seramik, menghasilkan kekonduksian yang lebih tinggi dan rintangan kepada voltan yang lebih tinggi.Di samping itu, disebabkan oleh kelikatan yang tinggi dan tingkah laku separa pepejal, elektrolit polimer boleh menghalang dendrit litium daripada berkembang. ¹³ dan oleh itu boleh digunakan dengan anod logam litium.

Elektrolit pepejal ialah kristal konduktif lithium-ion dan gelas seramik.Mereka menunjukkan prestasi suhu rendah yang sangat lemah kerana mobiliti litium dalam pepejal sangat berkurangan pada suhu rendah.Di samping itu, elektrolit pepejal memerlukan keadaan pemendapan khas dan rawatan suhu untuk mendapatkan tingkah laku yang boleh diterima, menjadikannya sangat mahal untuk digunakan, walaupun ia menghilangkan keperluan untuk pemisah dan risiko pelarian haba.

Pemisah

Kajian semula yang baik tentang bahan dan keperluan pemisah disediakan oleh P. Arora dan Z. Zhang. ¹⁴ Seperti namanya, pemisah bateri memisahkan dua elektrod secara fizikal antara satu sama lain, dengan itu mengelakkan litar pintas.Dalam kes elektrolit cecair, pemisah adalah bahan buih yang direndam dengan elektrolit dan memegangnya di tempatnya.Ia perlu menjadi penebat elektronik sambil mempunyai rintangan elektrolit yang minimum, kestabilan mekanikal maksimum, dan rintangan kimia terhadap degradasi dalam persekitaran yang sangat aktif secara elektrokimia.Di samping itu, pemisah selalunya mempunyai ciri keselamatan, yang dipanggil "penutupan terma;"pada suhu tinggi, ia mencairkan atau menutup liang-liangnya untuk menutup pengangkutan litium-ion tanpa kehilangan kestabilan mekanikalnya.Pemisah sama ada disintesis dalam kepingan dan dipasang dengan elektrod atau didepositkan pada satu elektrod in situ.Dari segi kos, yang terakhir adalah kaedah yang lebih baik tetapi menimbulkan beberapa masalah sintesis, pengendalian dan mekanikal yang lain.Elektrolit keadaan pepejal dan beberapa elektrolit polimer tidak memerlukan pemisah.