Који материјали се налазе у литијум-јонској батерији?

Најсавременији катодни материјали укључују литијум-металне оксиде [као што је ЛиЦоО ₂ , ЛиМн ₂ О ₄ и Ли(НикМниЦоз)О ₂ ], оксиди ванадијума, оливини (као што је ЛиФеПО ₄ ), и пуњиви литијум оксиди. ^11,12 Слојевити оксиди који садрже кобалт и никл су највише проучавани материјали за литијум-јонске батерије.Они показују високу стабилност у опсегу високог напона, али кобалт има ограничену доступност у природи и токсичан је, што је огроман недостатак за масовну производњу.Манган нуди јефтину замену са високим термичким прагом и одличним могућностима брзине, али ограниченим бициклистичким понашањем.Због тога се мешавине кобалта, никла и мангана често користе за комбиновање најбољих својстава и минимизирање недостатака.Ванадијум оксиди имају велики капацитет и одличну кинетику.Међутим, због уметања и екстракције литијума, материјал има тенденцију да постане аморфан, што ограничава бициклистичко понашање.Оливини су нетоксични и имају умерени капацитет са малим бледењем услед циклуса, али је њихова проводљивост ниска.Уведени су начини премазивања материјала који надокнађују лошу проводљивост, али то повећава трошкове обраде батерије.

Анодни материјали

Анодни материјали су литијум, графит, материјали за легирање литијума, интерметали или силицијум. ¹¹ Чини се да је литијум најједноставнији материјал, али показује проблеме са бициклистичким понашањем и растом дендрита, што ствара кратке спојеве.Угљеничне аноде су најчешће коришћени анодни материјал због ниске цене и доступности.Међутим, теоретски капацитет (372 мАх/г) је лош у поређењу са густином пуњења литијума (3.862 мАх/г).Неки напори са новим врстама графита и угљеничним наноцевима су покушали да повећају капацитет, али су дошли са ценом високих трошкова обраде.Аноде од легуре и интерметална једињења имају велике капацитете, али такође показују драматичну промену запремине, што доводи до лошег понашања у циклусу.Уложени су напори да се превазиђе промена запремине коришћењем нанокристалних материјала и стављањем фазе легуре (са Ал, Би, Мг, Сб, Сн, Зн и другима) у нелегирајућој стабилизацијској матрици (са Цо, Цу, Фе или Ни).Силицијум има изузетно висок капацитет од 4.199 мАх/г, што одговара саставу Си ₅ Ли ₂₂ .Међутим, бициклистичко понашање је лоше, а смањење капацитета још није схваћено.

Електролити

Безбедној и дуготрајној батерији је потребан робустан електролит који може да издржи постојећи напон и високе температуре и који има дуг век трајања док нуди високу мобилност литијум јона.Типови укључују течне, полимерне и електролите у чврстом стању. ¹¹ Течни електролити су углавном органски електролити на бази растварача који садрже ЛиБЦ ₄ О ₈ (ЛиБОБ), ЛиПФ ₆ , Ли[ПФ ₃ (Ц ₂ Ф ₅ ) ₃ ], или слично.Најважније разматрање је њихова запаљивост;растварачи са најбољим перформансама имају ниске тачке кључања и имају тачку паљења око 30°Ц.Због тога, одзрачивање или експлозија ћелије и после тога батерије представљају опасност.Распадање електролита и веома егзотермне нуспојаве у литијум-јонским батеријама могу да створе ефекат познат као „термички бег“.Стога, избор електролита често укључује компромис између запаљивости и електрохемијских перформанси.

Сепаратори имају уграђене механизме термичког искључивања, а додатни екстерни софистицирани системи управљања топлотом су додати модулима и батеријама.Јонске течности се разматрају због њихове термичке стабилности, али имају велике недостатке, као што је растварање литијума из аноде.

Полимерни електролити су јонски проводљиви полимери.Често се мешају у композитима са керамичким наночестицама, што доводи до веће проводљивости и отпорности на веће напоне.Поред тога, због свог високог вискозитета и квази чврстог понашања, полимерни електролити могу инхибирати раст литијум дендрита ¹³ и стога се може користити са литијум металним анодама.

Чврсти електролити су литијум-јонски проводни кристали и керамичка стакла.Показују веома лоше перформансе на ниским температурама јер је покретљивост литијума у ​​чврстом стању у великој мери смањена на ниским температурама.Поред тога, чврстим електролитима су потребни посебни услови таложења и температурни третмани да би се постигло прихватљиво понашање, што их чини изузетно скупим у употреби, иако елиминишу потребу за сепараторима и ризик од топлотног бекства.

Сепаратори

Добар преглед материјала и потреба сепаратора дали су П. Арора и З. Зханг. ¹⁴ Као што му име говори, сепаратор батерије физички раздваја две електроде једну од друге, чиме се избегава кратак спој.У случају течног електролита, сепаратор је пенасти материјал који је натопљен електролитом и држи га на месту.Мора да буде електронски изолатор, а да има минималну отпорност на електролит, максималну механичку стабилност и хемијску отпорност на деградацију у високо електрохемијски активном окружењу.Поред тога, сепаратор често има сигурносну функцију која се назива „термичко искључивање;“на повишеним температурама, топи се или затвара своје поре да би зауставио транспорт литијум-јона без губитка механичке стабилности.Сепаратори се или синтетишу у листовима и склапају са електродама или се наносе на једну електроду ин ситу.Што се тиче трошкова, ово друго је пожељнији метод, али представља неке друге проблеме синтезе, руковања и механичких проблема.Електролитима у чврстом стању и неким полимерним електролитима није потребан сепаратор.