| Материалы для литий-ионных аккумуляторов являются важными компонентами в производстве литий-ионные аккумуляторы , которые широко используются в различных электронных устройствах, электромобилях и системах возобновляемой энергии. Эти батареи состоят из нескольких ключевых материалов, которые вместе эффективно сохраняют и выделяют электрическую энергию. Катодные материалы
Современные катодные материалы включают оксиды лития и металлов [такие как LiCoO 2 , ЛиМн 2 О 4 и Li(NixMnyCoz)O 2 ], оксиды ванадия, оливины (например, LiFePO 4 ) и перезаряжаемые оксиды лития. 11,12 Слоистые оксиды, содержащие кобальт и никель, являются наиболее изученными материалами для литий-ионных аккумуляторов. Они демонстрируют высокую стабильность в диапазоне высоких напряжений, однако кобальт ограничен в природе и токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Марганец предлагает недорогую замену с высоким термическим порогом и отличными скоростными возможностями, но с ограниченным циклическим поведением. Поэтому для объединения лучших свойств и минимизации недостатков часто используют смеси кобальта, никеля и марганца. Оксиды ванадия обладают большой емкостью и отличной кинетикой. Однако из-за введения и извлечения лития материал имеет тенденцию становиться аморфным, что ограничивает циклическое поведение. Оливины нетоксичны и имеют умеренную емкость с низким выцветанием из-за циклирования, но их проводимость низкая. Были внедрены методы покрытия материала, которые компенсируют плохую проводимость, но это увеличивает затраты на обработку батареи.
Анодные материалы
Анодными материалами являются литий, графит, легирующие литий материалы, интерметаллиды или кремний. 11 Литий кажется наиболее простым материалом, но у него есть проблемы с циклическим поведением и ростом дендритов, что приводит к коротким замыканиям. Углеродистые аноды являются наиболее используемым анодным материалом из-за их низкой стоимости и доступности. Однако теоретическая емкость (372 мАч/г) невелика по сравнению с плотностью заряда лития (3862 мАч/г). Некоторые усилия по использованию новых разновидностей графита и углеродных нанотрубок пытались увеличить производительность, но пришлось заплатить за это высокие затраты на обработку. Аноды из сплавов и интерметаллические соединения обладают высокой емкостью, но при этом демонстрируют резкое изменение объема, что приводит к плохому циклическому поведению. Были предприняты попытки преодолеть изменение объема за счет использования нанокристаллических материалов и размещения фазы сплава (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn и др.) в нелегирующей стабилизирующей матрице (с Co, Cu, Fe или другими). Ни). Кремний имеет чрезвычайно высокую емкость - 4199 мАч/г, что соответствует составу Si. 5 Ли 22 . Тем не менее, велосипедное поведение оставляет желать лучшего, а снижение мощности еще не изучено. Электролиты
Для безопасной и долговечной батареи необходим прочный электролит, который может выдерживать существующее напряжение и высокие температуры, имеет длительный срок хранения и обеспечивает высокую подвижность ионов лития. Типы включают жидкие, полимерные и твердотельные электролиты. 11 Жидкие электролиты в основном представляют собой органические электролиты на основе растворителей, содержащие LiBC. 4 О 8 (ЛиБОБ), ЛиПФ 6 , Ли[PF 3 (С 2 Ф 5 ) 3 ] или подобное. Самым важным фактором является их воспламеняемость; наиболее эффективные растворители имеют низкую температуру кипения и температуру вспышки около 30°C. Поэтому вентиляция или взрыв элемента, а затем и батареи, представляет опасность. Разложение электролита и сильно экзотермические побочные реакции в литий-ионных батареях могут вызвать эффект, известный как «тепловой разгон». Таким образом, выбор электролита часто предполагает компромисс между воспламеняемостью и электрохимическими характеристиками. Сепараторы Хороший обзор материалов и потребностей в сепараторах предоставлен П. Аророй и З. Чжаном. 14 Как следует из названия, сепаратор батареи физически отделяет два электрода друг от друга, что позволяет избежать короткого замыкания. В случае жидкого электролита сепаратор представляет собой вспененный материал, который пропитывается электролитом и удерживает его на месте. Он должен быть электронным изолятором, обладающим минимальным сопротивлением электролиту, максимальной механической стабильностью и химической стойкостью к разложению в высокоэлектрохимически активной среде. Кроме того, сепаратор часто имеет функцию безопасности, называемую «термическое отключение»; при повышенных температурах он плавится или закрывает поры, прекращая транспорт ионов лития, не теряя при этом своей механической стабильности. Сепараторы либо синтезируются в листах и собираются с электродами, либо наносятся на один электрод in situ. С точки зрения затрат последний метод является предпочтительным, но он создает некоторые другие проблемы синтеза, обработки и механические проблемы. Твердотельные электролиты и некоторые полимерные электролиты не нуждаются в сепараторе. Сепараторы имеют встроенные механизмы термического отключения, а к модулям и аккумуляторным блокам добавляются дополнительные внешние сложные системы терморегулирования. Ионные жидкости находятся на рассмотрении из-за их термической стабильности, но имеют серьезные недостатки, такие как растворение лития за пределами анода. Полимерные электролиты представляют собой ионопроводящие полимеры. Их часто смешивают в композитах с керамическими наночастицами, что приводит к более высокой проводимости и устойчивости к более высоким напряжениям. Кроме того, из-за своей высокой вязкости и квазитвердого поведения полимерные электролиты могут препятствовать росту дендритов лития. 13 и поэтому может использоваться с анодами из металлического лития. Твердые электролиты представляют собой литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла. Они демонстрируют очень плохие характеристики при низких температурах, поскольку подвижность лития в твердом теле значительно снижается при низких температурах. Кроме того, твердые электролиты требуют специальных условий осаждения и температурной обработки для получения приемлемых свойств, что делает их чрезвычайно дорогими в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторах и риск термического выхода из-под контроля. В заключение, материалы для литий-ионных аккумуляторов играют жизненно важную роль в общей производительности и эффективности литий-ионные аккумуляторы . Продолжающиеся исследования и разработки продолжают изучать новые материалы и технологии для дальнейшего улучшения производительности и устойчивости литий-ионных батарей. |
