Cilat materiale janë në një bateri litium-jon?

Materialet më të avancuara të katodës përfshijnë oksidet e litium-metaleve [të tilla si LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , dhe Li(NixMnyCoz)O ₂ ], oksidet e vanadiumit, olivinat (të tilla si LiFePO ₄ ), dhe oksidet e litiumit të rikarikueshëm. ^11,12 Oksidet me shtresa që përmbajnë kobalt dhe nikel janë materialet më të studiuara për bateritë litium-jon.Ata tregojnë një stabilitet të lartë në rangun e tensionit të lartë, por kobalti ka disponueshmëri të kufizuar në natyrë dhe është toksik, gjë që është një pengesë e jashtëzakonshme për prodhimin masiv.Mangani ofron një zëvendësim me kosto të ulët me një prag të lartë termik dhe aftësi të shkëlqyera të normës, por sjellje të kufizuar të çiklizmit.Prandaj, përzierjet e kobaltit, nikelit dhe manganit përdoren shpesh për të kombinuar vetitë më të mira dhe për të minimizuar të metat.Oksidet e vanadiumit kanë një kapacitet të madh dhe kinetikë të shkëlqyer.Megjithatë, për shkak të futjes dhe nxjerrjes së litiumit, materiali tenton të bëhet amorf, gjë që kufizon sjelljen e çiklizmit.Olivinat janë jotoksike dhe kanë një kapacitet të moderuar me zbehje të ulët për shkak të çiklizmit, por përçueshmëria e tyre është e ulët.Janë prezantuar metoda të veshjes së materialit që kompensojnë përçueshmërinë e dobët, por kjo i shton baterisë disa kosto përpunimi.

Materialet e anodës

Materialet e anodës janë litium, grafit, materiale aliazh litium, ndërmetalikë ose silikon. ¹¹ Litiumi duket të jetë materiali më i drejtpërdrejtë, por shfaq probleme me sjelljen e çiklizmit dhe rritjen dendritike, gjë që krijon qarqe të shkurtra.Anodat karbonike janë materiali anodik më i përdorur për shkak të kostos dhe disponueshmërisë së tyre të ulët.Megjithatë, kapaciteti teorik (372 mAh/g) është i dobët në krahasim me densitetin e ngarkesës së litiumit (3,862 mAh/g).Disa përpjekje me varietete të reja grafiti dhe nanotuba karboni janë përpjekur të rrisin kapacitetin, por kanë ardhur me çmimin e kostove të larta të përpunimit.Anodat e aliazhit dhe komponimet ndërmetalike kanë kapacitete të larta, por gjithashtu tregojnë një ndryshim dramatik të vëllimit, duke rezultuar në sjellje të dobët të çiklizmit.Janë bërë përpjekje për të kapërcyer ndryshimin e vëllimit duke përdorur materiale nanokristaline dhe duke pasur fazën e aliazhit (me Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn dhe të tjera) në një matricë stabilizimi joligurues (me Co, Cu, Fe, ose Ni).Siliconi ka një kapacitet jashtëzakonisht të lartë prej 4,199 mAh/g, që korrespondon me një përbërje të Si ₅ Li ₂₂ .Megjithatë, sjellja e çiklizmit është e dobët dhe zbehja e kapacitetit ende nuk është kuptuar.

Elektrolitet

Një bateri e sigurt dhe afatgjatë ka nevojë për një elektrolit të fortë që mund t'i rezistojë tensionit ekzistues dhe temperaturave të larta dhe që ka një jetëgjatësi të gjatë ndërsa ofron një lëvizshmëri të lartë për jonet e litiumit.Llojet përfshijnë elektrolitë të lëngshëm, polimer dhe në gjendje të ngurtë. ¹¹ Elektrolitet e lëngëta janë kryesisht elektrolite organike, me bazë tretës, që përmbajnë LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], ose të ngjashme.Konsiderata më e rëndësishme është ndezshmëria e tyre;tretësit me performancë më të mirë kanë pika vlimi të ulëta dhe kanë pika ndezjeje rreth 30°C.Prandaj, ajrimi ose shpërthimi i qelizës dhe më pas baterisë përbëjnë një rrezik.Dekompozimi i elektrolitit dhe reaksionet anësore shumë ekzotermike në bateritë litium-jon mund të krijojnë një efekt të njohur si "arratisje termike".Kështu, zgjedhja e një elektroliti shpesh përfshin një shkëmbim midis ndezshmërisë dhe performancës elektrokimike.

Ndarësit kanë mekanizma të integruar të mbylljes termike dhe sisteme shtesë të sofistikuara të menaxhimit termik të jashtëm u shtohen moduleve dhe paketave të baterive.Lëngjet jonike janë në shqyrtim për shkak të qëndrueshmërisë së tyre termike, por kanë të meta të mëdha, si shpërbërja e litiumit nga anoda.

Elektrolitet polimer janë polimere jonikisht përçues.Ato shpesh përzihen në përbërje me nanogrimca qeramike, duke rezultuar në përçueshmëri më të lartë dhe rezistencë ndaj tensioneve më të larta.Përveç kësaj, për shkak të viskozitetit të tyre të lartë dhe sjelljes pothuajse të ngurtë, elektrolitet polimer mund të pengojnë rritjen e dendriteve të litiumit. ¹³ dhe për këtë arsye mund të përdoret me anodat metalike të litiumit.

Elektrolitët e ngurtë janë kristale përcjellëse litium-jon dhe gota qeramike.Ata tregojnë një performancë shumë të dobët në temperaturë të ulët, sepse lëvizshmëria e litiumit në lëndë të ngurtë reduktohet shumë në temperatura të ulëta.Përveç kësaj, elektrolitet e ngurta kanë nevojë për kushte të veçanta depozitimi dhe trajtime të temperaturës për të marrë sjellje të pranueshme, duke i bërë ato jashtëzakonisht të shtrenjta në përdorim, megjithëse eliminojnë nevojën për ndarës dhe rrezikun e largimit termik.

Ndarësit

Një përmbledhje e mirë e materialeve dhe nevojave të ndarësit është dhënë nga P. Arora dhe Z. Zhang. ¹⁴ Siç sugjeron emri i tij, ndarësi i baterisë ndan fizikisht dy elektroda nga njëra-tjetra, duke shmangur kështu një qark të shkurtër.Në rastin e një elektroliti të lëngët, ndarësi është një material shkumë që ngjyhet me elektrolit dhe e mban atë në vend.Ai duhet të jetë një izolant elektronik duke pasur rezistencë minimale ndaj elektrolitit, qëndrueshmëri maksimale mekanike dhe rezistencë kimike ndaj degradimit në mjedisin shumë elektrokimik aktiv.Përveç kësaj, ndarësi shpesh ka një veçori sigurie, të quajtur "fikje termike;"në temperatura të larta, ai shkrin ose mbyll poret e tij për të mbyllur transportin e litium-jonit pa humbur stabilitetin e tij mekanik.Ndarësit ose sintetizohen në fletë dhe montohen me elektroda ose depozitohen në një elektrodë in situ.Për sa i përket kostos, kjo e fundit është metoda e preferuar, por paraqet disa probleme të tjera sinteze, trajtimi dhe mekanike.Elektrolitet në gjendje të ngurtë dhe disa elektrolite polimer nuk kanë nevojë për ndarës.