Hvilke materialer er det i et litiumionbatteri?

Toppmoderne katodematerialer inkluderer litium-metalloksider [som LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ og Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadiumoksider, oliviner (som LiFePO ₄ ), og oppladbare litiumoksider. ^11,12 Lagdelte oksider som inneholder kobolt og nikkel er de mest studerte materialene for litium-ion-batterier.De viser høy stabilitet i høyspenningsområdet, men kobolt har begrenset tilgjengelighet i naturen og er giftig, noe som er en enorm ulempe for masseproduksjon.Mangan tilbyr en rimelig erstatning med høy termisk terskel og utmerkede hastighetsegenskaper, men begrenset sykkeladferd.Derfor brukes ofte blandinger av kobolt, nikkel og mangan for å kombinere de beste egenskapene og minimere ulempene.Vanadiumoksider har stor kapasitet og utmerket kinetikk.På grunn av litiuminnsetting og ekstraksjon har materialet imidlertid en tendens til å bli amorft, noe som begrenser sykkelatferden.Oliviner er ikke-giftige og har en moderat kapasitet med lav falming på grunn av sykling, men deres ledningsevne er lav.Metoder for å belegge materialet har blitt introdusert som veier opp for den dårlige ledningsevnen, men det gir noen prosesseringskostnader til batteriet.

Anode materialer

Anodematerialer er litium, grafitt, litiumlegeringsmaterialer, intermetalliske materialer eller silisium. ¹¹ Litium ser ut til å være det mest rett frem materialet, men viser problemer med sykkelatferd og dendritisk vekst, som skaper kortslutninger.Karbonholdige anoder er det mest brukte anodiske materialet på grunn av deres lave kostnader og tilgjengelighet.Den teoretiske kapasiteten (372 mAh/g) er imidlertid dårlig sammenlignet med ladningstettheten til litium (3 862 mAh/g).Noen forsøk med nye grafittvarianter og karbon-nanorør har forsøkt å øke kapasiteten, men har kommet med prisen på høye prosesseringskostnader.Legeringsanoder og intermetalliske forbindelser har høy kapasitet, men viser også en dramatisk volumendring, noe som resulterer i dårlig sykling.Det er gjort forsøk på å overvinne volumendringen ved å bruke nanokrystallinske materialer og ved å ha legeringsfasen (med Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn og andre) i en ikke-legerende stabiliseringsmatrise (med Co, Cu, Fe eller Ni).Silisium har en ekstremt høy kapasitet på 4199 mAh/g, tilsvarende en sammensetning av Si ₅ Li ₂₂ .Sykkeladferden er imidlertid dårlig, og kapasitetssvikt er ennå ikke forstått.

Elektrolytter

Et trygt og langvarig batteri trenger en robust elektrolytt som tåler eksisterende spenning og høye temperaturer og som har lang holdbarhet samtidig som den tilbyr høy mobilitet for litiumioner.Typer inkluderer væske-, polymer- og faststoffelektrolytter. ¹¹ Flytende elektrolytter er for det meste organiske, løsemiddelbaserte elektrolytter som inneholder LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], eller liknende.Den viktigste faktoren er deres brennbarhet;de beste løsningsmidlene har lavt kokepunkt og har flammepunkter rundt 30°C.Lufting eller eksplosjon av cellen og deretter batteriet utgjør derfor en fare.Elektrolyttnedbrytning og svært eksoterme bireaksjoner i litium-ion-batterier kan skape en effekt kjent som "termisk runaway".Derfor innebærer valg av en elektrolytt ofte en avveining mellom brennbarhet og elektrokjemisk ytelse.

Separatorer har innebygde termiske avstengningsmekanismer, og ytterligere eksterne sofistikerte termiske styringssystemer er lagt til modulene og batteripakkene.Ioniske væsker er under vurdering på grunn av deres termiske stabilitet, men har store ulemper, for eksempel litiumoppløsning ut av anoden.

Polymerelektrolytter er ionisk ledende polymerer.De er ofte blandet i kompositter med keramiske nanopartikler, noe som resulterer i høyere ledningsevne og motstand mot høyere spenninger.I tillegg, på grunn av deres høye viskositet og kvasi-faste oppførsel, kan polymerelektrolytter hindre litiumdendritter i å vokse ^{1. 3} og kan derfor brukes med litiummetallanoder.

Faste elektrolytter er litium-ion-ledende krystaller og keramiske glass.De viser en svært dårlig lavtemperaturytelse fordi litiummobiliteten i det faste stoffet er sterkt redusert ved lave temperaturer.I tillegg trenger faste elektrolytter spesielle avsetningsforhold og temperaturbehandlinger for å oppnå akseptabel oppførsel, noe som gjør dem ekstremt dyre i bruk, selv om de eliminerer behovet for separatorer og risikoen for termisk løping.

Separatorer

En god gjennomgang av separatormaterialer og behov er levert av P. Arora og Z. Zhang. ¹⁴ Som navnet antyder, skiller batteriseparatoren de to elektrodene fysisk fra hverandre, og unngår dermed kortslutning.Når det gjelder en flytende elektrolytt, er separatoren et skummateriale som er gjennomvåt med elektrolytten og holder den på plass.Den må være en elektronisk isolator samtidig som den har minimal elektrolyttmotstand, maksimal mekanisk stabilitet og kjemisk motstand mot nedbrytning i det svært elektrokjemisk aktive miljøet.I tillegg har separatoren ofte en sikkerhetsfunksjon, kalt "termisk avstengning."ved forhøyede temperaturer smelter eller lukker den porene for å stenge litiumion-transporten uten å miste sin mekaniske stabilitet.Separatorer er enten syntetisert i ark og satt sammen med elektrodene eller avsatt på en elektrode in situ.Kostnadsmessig er sistnevnte den foretrukne metoden, men medfører noen andre syntese-, håndterings- og mekaniske problemer.Faststoffelektrolytter og noen polymerelektrolytter trenger ingen separator.