Vilka material finns i ett litiumjonbatteri?

Katodmaterial av toppmodernt slag inkluderar litium-metalloxider [som LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ och Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadinoxider, oliviner (som LiFePO ₄ ), och uppladdningsbara litiumoxider. ^11,12 Skiktade oxider som innehåller kobolt och nickel är de mest studerade materialen för litiumjonbatterier.De visar en hög stabilitet i högspänningsområdet men kobolt har begränsad tillgänglighet i naturen och är giftigt, vilket är en enorm nackdel för masstillverkning.Mangan erbjuder en billig substitution med en hög termisk tröskel och utmärkta hastighetsegenskaper men begränsat cykelbeteende.Därför används ofta blandningar av kobolt, nickel och mangan för att kombinera de bästa egenskaperna och minimera nackdelarna.Vanadinoxider har stor kapacitet och utmärkt kinetik.Men på grund av litiuminförande och extraktion tenderar materialet att bli amorft, vilket begränsar cyklingsbeteendet.Oliviner är giftfria och har en måttlig kapacitet med låg blekning på grund av cykling, men deras konduktivitet är låg.Metoder för att belägga materialet har införts som kompenserar för den dåliga ledningsförmågan, men det tillför vissa bearbetningskostnader för batteriet.

Anodmaterial

Anodmaterial är litium, grafit, litiumlegeringsmaterial, intermetalliska material eller kisel. ¹¹ Litium verkar vara det mest enkla materialet men visar problem med cykelbeteende och dendritisk tillväxt, vilket skapar kortslutningar.Kolhaltiga anoder är det mest använda anodmaterialet på grund av deras låga kostnad och tillgänglighet.Den teoretiska kapaciteten (372 mAh/g) är dock dålig jämfört med laddningstätheten för litium (3 862 mAh/g).Vissa ansträngningar med nya grafitvarianter och kolnanorör har försökt öka kapaciteten men har kommit med priset för höga bearbetningskostnader.Legeringsanoder och intermetalliska föreningar har hög kapacitet men visar också en dramatisk volymförändring, vilket resulterar i dåligt cykelbeteende.Ansträngningar har gjorts för att övervinna volymförändringen genom att använda nanokristallina material och genom att ha legeringsfasen (med Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn och andra) i en olegerande stabiliseringsmatris (med Co, Cu, Fe eller Ni).Kisel har en extremt hög kapacitet på 4 199 mAh/g, vilket motsvarar en sammansättning av Si ₅ Li ₂₂ .Cykelbeteendet är dock dåligt och kapacitetsminskningen har ännu inte förståtts.

Elektrolyter

Ett säkert och långvarigt batteri behöver en robust elektrolyt som tål befintlig spänning och höga temperaturer och som har lång hållbarhet samtidigt som den erbjuder hög rörlighet för litiumjoner.Typer inkluderar flytande, polymera och fasta elektrolyter. ¹¹ Flytande elektrolyter är mestadels organiska, lösningsmedelsbaserade elektrolyter som innehåller LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], eller liknande.Den viktigaste faktorn är deras brandfarlighet;de bäst presterande lösningsmedlen har låga kokpunkter och har flampunkter runt 30°C.Avluftning eller explosion av cellen och därefter batteriet utgör därför en fara.Elektrolytnedbrytning och mycket exoterma sidoreaktioner i litiumjonbatterier kan skapa en effekt som kallas "termisk runaway".Således involverar valet av en elektrolyt ofta en avvägning mellan brandfarlighet och elektrokemisk prestanda.

Separatorer har inbyggda termiska avstängningsmekanismer, och ytterligare externa sofistikerade värmehanteringssystem läggs till modulerna och batteripaketen.Joniska vätskor är under övervägande på grund av deras termiska stabilitet men har stora nackdelar, såsom litiumupplösning ur anoden.

Polymerelektrolyter är jonledande polymerer.De blandas ofta i kompositer med keramiska nanopartiklar, vilket resulterar i högre ledningsförmåga och motstånd mot högre spänningar.Dessutom, på grund av deras höga viskositet och kvasi-fasta beteende, kan polymerelektrolyter hindra litiumdendriter från att växa ¹³ och kan därför användas med litiummetallanoder.

Fasta elektrolyter är litiumjonledande kristaller och keramiska glas.De uppvisar en mycket dålig lågtemperaturprestanda eftersom litiumrörligheten i det fasta materialet är kraftigt reducerad vid låga temperaturer.Dessutom behöver fasta elektrolyter speciella avsättningsförhållanden och temperaturbehandlingar för att erhålla acceptabelt beteende, vilket gör dem extremt dyra i användning, även om de eliminerar behovet av separatorer och risken för termisk rusning.

Separatorer

En bra genomgång av separatormaterial och behov tillhandahålls av P. Arora och Z. Zhang. ¹⁴ Som namnet antyder separerar batteriseparatorn de två elektroderna fysiskt från varandra och undviker på så sätt en kortslutning.När det gäller en flytande elektrolyt är separatorn ett skummaterial som blötläggs med elektrolyten och håller den på plats.Det måste vara en elektronisk isolator samtidigt som den har minimal elektrolytbeständighet, maximal mekanisk stabilitet och kemisk beständighet mot nedbrytning i den mycket elektrokemiskt aktiva miljön.Dessutom har separatorn ofta en säkerhetsfunktion, som kallas "termisk avstängning."vid förhöjda temperaturer smälter eller stänger den sina porer för att stänga av litiumjontransporten utan att förlora sin mekaniska stabilitet.Separatorer syntetiseras antingen i ark och sätts ihop med elektroderna eller deponeras på en elektrod in situ.Kostnadsmässigt är den sistnämnda metoden att föredra men medför vissa andra syntes-, hanterings- och mekaniska problem.Elektrolyter i fast tillstånd och vissa polymerelektrolyter behöver ingen separator.