Welke materialen zitten er in een lithium-ionbatterij?

State-of-the-art kathodematerialen omvatten lithium-metaaloxiden [zoals LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , en Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadiumoxiden, olivijnen (zoals LiFePO ₄ ), en oplaadbare lithiumoxides. ^11,12 Gelaagde oxiden die kobalt en nikkel bevatten, zijn de meest bestudeerde materialen voor lithium-ionbatterijen.Ze vertonen een hoge stabiliteit in het hoogspanningsbereik, maar kobalt is beperkt beschikbaar in de natuur en is giftig, wat een enorm nadeel is voor massaproductie.Mangaan biedt een goedkope vervanging met een hoge thermische drempel en uitstekende snelheidsmogelijkheden maar beperkt fietsgedrag.Daarom worden vaak mengsels van kobalt, nikkel en mangaan gebruikt om de beste eigenschappen te combineren en de nadelen te minimaliseren.Vanadiumoxiden hebben een grote capaciteit en uitstekende kinetiek.Door het inbrengen en verwijderen van lithium heeft het materiaal echter de neiging amorf te worden, wat het fietsgedrag beperkt.Olivijnen zijn niet-toxisch en hebben een matige capaciteit met weinig vervaging als gevolg van fietsen, maar hun geleidbaarheid is laag.Er zijn methoden geïntroduceerd om het materiaal te coaten die de slechte geleidbaarheid goedmaken, maar het voegt wat verwerkingskosten toe aan de batterij.

Anode materialen

Anodematerialen zijn lithium, grafiet, lithiumlegeringen, intermetallische materialen of silicium. ¹¹ Lithium lijkt het meest rechttoe rechtaan materiaal maar vertoont problemen met fietsgedrag en dendritische groei, waardoor kortsluitingen ontstaan.Koolstofhoudende anodes zijn het meest gebruikte anodische materiaal vanwege hun lage kosten en beschikbaarheid.De theoretische capaciteit (372 mAh/g) is echter slecht in vergelijking met de ladingsdichtheid van lithium (3.862 mAh/g).Sommige inspanningen met nieuwe grafietvariëteiten en koolstofnanobuisjes hebben geprobeerd de capaciteit te vergroten, maar brachten hoge verwerkingskosten met zich mee.Gelegeerde anoden en intermetallische verbindingen hebben een hoge capaciteit, maar vertonen ook een dramatische volumeverandering, wat resulteert in slecht fietsgedrag.Er zijn pogingen gedaan om de volumeverandering te overwinnen door nanokristallijne materialen te gebruiken en door de legeringsfase (met Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn en andere) in een niet-legeringsstabilisatiematrix (met Co, Cu, Fe of Nee).Silicium heeft een extreem hoge capaciteit van 4.199 mAh/g, wat overeenkomt met een samenstelling van Si ₅ Li ₂₂ .Het fietsgedrag is echter slecht en capaciteitsvervaging wordt nog niet begrepen.

Elektrolyten

Een veilige en duurzame batterij heeft een robuust elektrolyt nodig dat bestand is tegen bestaande spanning en hoge temperaturen, lang houdbaar is en tegelijkertijd een hoge mobiliteit voor lithiumionen biedt.Typen zijn onder meer vloeibare, polymere en vaste elektrolyten. ¹¹ Vloeibare elektrolyten zijn meestal organische elektrolyten op basis van oplosmiddelen die LiBC bevatten ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], of vergelijkbaar.De belangrijkste overweging is hun ontvlambaarheid;de best presterende oplosmiddelen hebben een laag kookpunt en een vlampunt rond de 30°C.Daarom vormen ontluchting of explosie van de cel en vervolgens de batterij een gevaar.Ontleding van elektrolyt en zeer exotherme nevenreacties in lithium-ionbatterijen kunnen een effect creëren dat bekend staat als "thermisch weglopen".De selectie van een elektrolyt houdt dus vaak een afweging in tussen ontvlambaarheid en elektrochemische prestaties.

Separatoren hebben ingebouwde thermische uitschakelmechanismen en extra externe geavanceerde thermische beheersystemen zijn toegevoegd aan de modules en batterijpakketten.Ionische vloeistoffen worden overwogen vanwege hun thermische stabiliteit, maar hebben grote nadelen, zoals het oplossen van lithium uit de anode.

Polymeerelektrolyten zijn ionisch geleidende polymeren.Ze worden vaak gemengd in composieten met keramische nanodeeltjes, wat resulteert in hogere geleidbaarheden en weerstand tegen hogere spanningen.Bovendien zouden polymeerelektrolyten, vanwege hun hoge viscositeit en quasi-vaste gedrag, de groei van lithiumdendrieten kunnen remmen ¹³ en kan daarom worden gebruikt met lithiummetaalanodes.

Vaste elektrolyten zijn lithium-ion geleidende kristallen en keramische glazen.Ze vertonen een zeer slechte prestatie bij lage temperaturen omdat de lithiummobiliteit in de vaste stof sterk wordt verminderd bij lage temperaturen.Bovendien hebben vaste elektrolyten speciale afzettingsomstandigheden en temperatuurbehandelingen nodig om acceptabel gedrag te verkrijgen, waardoor ze extreem duur in gebruik zijn, hoewel ze de noodzaak van afscheiders en het risico van thermische runaway elimineren.

scheidingstekens

Een goed overzicht van separatormaterialen en -behoeften wordt geleverd door P. Arora en Z. Zhang. ¹⁴ Zoals de naam al doet vermoeden, scheidt de batterijscheider de twee elektroden fysiek van elkaar, waardoor kortsluiting wordt voorkomen.In het geval van een vloeibare elektrolyt is de separator een schuimmateriaal dat doordrenkt is met de elektrolyt en het op zijn plaats houdt.Het moet een elektronische isolator zijn met minimale elektrolytweerstand, maximale mechanische stabiliteit en chemische weerstand tegen degradatie in de sterk elektrochemisch actieve omgeving.Bovendien heeft de afscheider vaak een veiligheidsfunctie, "thermische uitschakeling" genoemd;bij verhoogde temperaturen smelt of sluit het zijn poriën om het lithium-iontransport af te sluiten zonder zijn mechanische stabiliteit te verliezen.Scheiders worden gesynthetiseerd in vellen en geassembleerd met de elektroden of in situ op één elektrode gedeponeerd.Wat de kosten betreft, heeft de laatste de voorkeursmethode, maar levert andere synthese-, hanterings- en mechanische problemen op.Elektrolyten in vaste toestand en sommige polymere elektrolyten hebben geen separator nodig.