Aké materiály sú v lítium-iónovej batérii?

Najmodernejšie materiály katódy zahŕňajú oxidy lítnych kovov [ako je LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ a Li(NixMnyCoz)O ₂ ], oxidy vanádu, olivíny (ako je LiFePO ₄ ) a dobíjateľné oxidy lítia. ^11,12 Vrstvené oxidy obsahujúce kobalt a nikel sú najviac študovanými materiálmi pre lítium-iónové batérie.Vykazujú vysokú stabilitu v rozsahu vysokého napätia, ale kobalt má v prírode obmedzenú dostupnosť a je toxický, čo je obrovská nevýhoda pre hromadnú výrobu.Mangán ponúka nízkonákladovú náhradu s vysokým tepelným prahom a vynikajúcou rýchlosťou, ale obmedzeným cyklickým správaním.Preto sa často používajú zmesi kobaltu, niklu a mangánu, aby sa spojili tie najlepšie vlastnosti a minimalizovali sa nevýhody.Oxidy vanádu majú veľkú kapacitu a vynikajúcu kinetiku.Avšak v dôsledku vloženia a extrakcie lítia má materiál tendenciu stať sa amorfným, čo obmedzuje cyklické správanie.Olivíny sú netoxické a majú strednú kapacitu s nízkym vyblednutím v dôsledku cyklovania, ale ich vodivosť je nízka.Boli zavedené metódy poťahovania materiálu, ktoré kompenzujú zlú vodivosť, ale zvyšujú náklady na spracovanie batérie.

Anódové materiály

Materiály anódy sú lítium, grafit, materiály legujúce lítium, intermetalické materiály alebo kremík. ¹¹ Lítium sa zdá byť najpriamejším materiálom, ale vykazuje problémy s cyklickým správaním a dendritickým rastom, ktorý vytvára skraty.Uhlíkové anódy sú najpoužívanejším anodickým materiálom kvôli ich nízkej cene a dostupnosti.Teoretická kapacita (372 mAh/g) je však nízka v porovnaní s hustotou náboja lítia (3 862 mAh/g).Niektoré snahy s novými odrodami grafitu a uhlíkovými nanorúrkami sa pokúsili zvýšiť kapacitu, ale viedli k vysokým nákladom na spracovanie.Zliatinové anódy a intermetalické zlúčeniny majú vysoké kapacity, ale tiež vykazujú dramatickú zmenu objemu, čo vedie k zlému cyklickému správaniu.Bolo vynaložené úsilie na prekonanie zmeny objemu použitím nanokryštalických materiálov a legovanej fázy (s Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn a inými) v nelegujúcej stabilizačnej matrici (s Co, Cu, Fe, príp. Ni).Kremík má extrémne vysokú kapacitu 4 199 mAh/g, čo zodpovedá zloženiu Si ₅ Li ₂₂ .Cyklistické správanie je však zlé a slabnutie kapacity ešte nie je pochopené.

Elektrolyty

Bezpečná batéria s dlhou životnosťou potrebuje robustný elektrolyt, ktorý odolá existujúcemu napätiu a vysokým teplotám a ktorý má dlhú životnosť a zároveň ponúka vysokú mobilitu pre lítiové ióny.Typy zahŕňajú tekuté, polymérne a tuhé elektrolyty. ¹¹ Kvapalné elektrolyty sú väčšinou organické elektrolyty na báze rozpúšťadiel obsahujúce LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] alebo podobne.Najdôležitejším hľadiskom je ich horľavosť;najlepšie výkonné rozpúšťadlá majú nízke teploty varu a majú body vzplanutia okolo 30 °C.Nebezpečenstvo preto predstavuje zavzdušnenie alebo výbuch článku a následne batérie.Rozklad elektrolytu a vysoko exotermické vedľajšie reakcie v lítium-iónových batériách môžu vytvoriť efekt známy ako „tepelný únik“.Výber elektrolytu teda často zahŕňa kompromis medzi horľavosťou a elektrochemickým výkonom.

Separátory majú zabudovaný mechanizmus tepelného vypnutia a k modulom a batériovým súpravám sú pridané ďalšie externé sofistikované systémy tepelného manažmentu.Iónové kvapaliny sú zvažované kvôli ich tepelnej stabilite, ale majú veľké nevýhody, ako je rozpúšťanie lítia z anódy.

Polymérne elektrolyty sú iónovo vodivé polyméry.Často sú v kompozitoch zmiešané s keramickými nanočasticami, čo vedie k vyššej vodivosti a odolnosti voči vyšším napätiam.Okrem toho môžu polymérne elektrolyty vďaka svojej vysokej viskozite a kvázi-pevnému správaniu inhibovať rast lítnych dendritov. ¹³ a mohol by sa preto použiť s lítiovými kovovými anódami.

Pevné elektrolyty sú lítium-iónové vodivé kryštály a keramické sklá.Vykazujú veľmi slabý výkon pri nízkych teplotách, pretože mobilita lítia v pevnej látke je pri nízkych teplotách značne znížená.Okrem toho, pevné elektrolyty potrebujú špeciálne podmienky nanášania a teplotné spracovanie, aby dosiahli prijateľné správanie, čo ich robí extrémne drahými pri používaní, hoci eliminujú potrebu separátorov a riziko úniku tepla.

Separátory

Dobrý prehľad materiálov a potrieb separátora poskytujú P. Arora a Z. Zhang. ¹⁴ Ako už názov napovedá, oddeľovač batérie fyzicky oddeľuje obe elektródy od seba, čím sa zabráni skratu.V prípade tekutého elektrolytu je separátor penový materiál, ktorý je nasiaknutý elektrolytom a drží ho na mieste.Musí to byť elektronický izolátor, pričom musí mať minimálnu odolnosť voči elektrolytu, maximálnu mechanickú stabilitu a chemickú odolnosť voči degradácii vo vysoko elektrochemicky aktívnom prostredí.Okrem toho má separátor často bezpečnostnú funkciu nazývanú „tepelné vypnutie“;pri zvýšených teplotách sa roztopí alebo uzatvorí svoje póry, aby sa zastavil transport lítium-iónu bez straty mechanickej stability.Separátory sú buď syntetizované v listoch a zostavené s elektródami, alebo uložené na jednu elektródu in situ.Z hľadiska nákladov je výhodnejší druhý spôsob, ale predstavuje niektoré ďalšie problémy so syntézou, manipuláciou a mechanickými problémami.Elektrolyty v tuhom stave a niektoré polymérové ​​elektrolyty nepotrebujú separátor.