Anong mga materyales ang nasa baterya ng lithium ion?

Ang mga makabagong materyales sa cathode ay kinabibilangan ng mga lithium-metal oxide [gaya ng LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , at Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadium oxides, olivines (tulad ng LiFePO ₄ ), at mga rechargeable na lithium oxide. ^11,12 Ang mga layered oxide na naglalaman ng cobalt at nickel ay ang pinaka pinag-aralan na materyales para sa mga baterya ng lithium-ion.Nagpapakita sila ng mataas na katatagan sa hanay ng mataas na boltahe ngunit ang kobalt ay may limitadong kakayahang magamit sa kalikasan at nakakalason, na isang napakalaking disbentaha para sa pagmamanupaktura ng masa.Nag-aalok ang Manganese ng murang substitution na may mataas na thermal threshold at mahusay na mga kakayahan sa rate ngunit limitado ang pag-uugali ng pagbibisikleta.Samakatuwid, ang mga mixtures ng cobalt, nickel, at manganese ay kadalasang ginagamit upang pagsamahin ang pinakamahusay na mga katangian at mabawasan ang mga kakulangan.Ang mga vanadium oxide ay may malaking kapasidad at mahusay na kinetics.Gayunpaman, dahil sa pagpasok at pagkuha ng lithium, ang materyal ay may posibilidad na maging amorphous, na naglilimita sa pag-uugali ng pagbibisikleta.Ang mga olivine ay nontoxic at may katamtamang kapasidad na may mababang fade dahil sa pagbibisikleta, ngunit mababa ang conductivity ng mga ito.Ang mga paraan ng patong sa materyal ay ipinakilala na bumubuo sa mahinang kondaktibiti, ngunit nagdaragdag ito ng ilang gastos sa pagproseso sa baterya.

Mga Materyales ng Anode

Ang mga anode na materyales ay lithium, graphite, lithium-alloying na materyales, intermetallic, o silikon. ¹¹ Ang Lithium ay tila ang pinaka-straight forward na materyal ngunit nagpapakita ng mga problema sa pag-uugali ng pagbibisikleta at paglaki ng dendritik, na lumilikha ng mga maikling circuit.Ang carbonaceous anodes ay ang pinakaginagamit na anodic na materyal dahil sa kanilang mababang gastos at kakayahang magamit.Gayunpaman, ang teoretikal na kapasidad (372 mAh/g) ay mahina kumpara sa density ng singil ng lithium (3,862 mAh/g).Ang ilang mga pagsisikap na may mga nobelang graphite varieties at carbon nanotubes ay sinubukang pataasin ang kapasidad ngunit may kasamang presyo ng mataas na gastos sa pagproseso.Ang mga haluang anod at intermetallic compound ay may mataas na kapasidad ngunit nagpapakita rin ng malaking pagbabago sa volume, na nagreresulta sa hindi magandang gawi sa pagbibisikleta.Ang mga pagsisikap ay ginawa upang madaig ang pagbabago ng volume sa pamamagitan ng paggamit ng mga nanocrystalline na materyales at sa pamamagitan ng pagkakaroon ng phase ng haluang metal (kasama ang Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, at iba pa) sa isang non-alloying stabilization matrix (na may Co, Cu, Fe, o Ni).Ang Silicon ay may napakataas na kapasidad na 4,199 mAh/g, na naaayon sa isang komposisyon ng Si ₅ Li ₂₂ .Gayunpaman, ang pag-uugali ng pagbibisikleta ay hindi maganda, at ang paghina ng kapasidad ay hindi pa nauunawaan.

Mga electrolyte

Ang isang ligtas at pangmatagalang baterya ay nangangailangan ng isang matatag na electrolyte na makatiis sa kasalukuyang boltahe at mataas na temperatura at may mahabang buhay sa istante habang nag-aalok ng mataas na kadaliang kumilos para sa mga lithium ions.Kasama sa mga uri ang likido, polimer, at solid-state na electrolyte. ¹¹ Ang mga likidong electrolyte ay kadalasang organic, solvent based na mga electrolyte na naglalaman ng LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], o katulad.Ang pinakamahalagang pagsasaalang-alang ay ang kanilang pagkasunog;ang mga solvent na pinakamahusay na gumaganap ay may mababang mga punto ng kumukulo at may mga flash point sa paligid ng 30°C.Samakatuwid, ang pagbubuhos o pagsabog ng cell at kasunod nito ang baterya ay nagdudulot ng panganib.Ang pagkabulok ng electrolyte at mga sobrang exothermic na side reaction sa mga baterya ng lithium-ion ay maaaring lumikha ng isang epekto na kilala bilang "thermal runaway."Kaya, ang pagpili ng isang electrolyte ay kadalasang nagsasangkot ng isang tradeoff sa pagitan ng flammability at electrochemical performance.

Ang mga separator ay may built-in na mekanismo ng thermal shutdown, at ang mga karagdagang panlabas na sopistikadong thermal management system ay idinaragdag sa mga module at battery pack.Ang mga ionic na likido ay isinasaalang-alang dahil sa kanilang thermal stability ngunit may mga pangunahing disbentaha, tulad ng lithium dissolution sa labas ng anode.

Ang mga polymer electrolyte ay ionically conductive polymers.Madalas silang pinaghalo sa mga composite na may ceramic nanoparticle, na nagreresulta sa mas mataas na conductivities at paglaban sa mas mataas na boltahe.Bilang karagdagan, dahil sa kanilang mataas na lagkit at mala-solid na pag-uugali, ang mga polymer electrolyte ay maaaring pigilan ang mga lithium dendrite mula sa paglaki. ¹³ at samakatuwid ay maaaring gamitin sa lithium metal anodes.

Ang mga solid electrolyte ay lithium-ion conductive crystals at ceramic glasses.Nagpapakita ang mga ito ng napakahinang pagganap sa mababang temperatura dahil ang litium mobility sa solid ay lubhang nababawasan sa mababang temperatura.Bilang karagdagan, ang mga solidong electrolyte ay nangangailangan ng mga espesyal na kondisyon ng pag-deposito at mga paggamot sa temperatura upang makakuha ng katanggap-tanggap na pag-uugali, na ginagawa itong napakamahal sa paggamit, bagama't inaalis nila ang pangangailangan para sa mga separator at ang panganib ng thermal runaway.

Mga separator

Ang isang mahusay na pagsusuri ng mga materyales at pangangailangan ng separator ay ibinigay nina P. Arora at Z. Zhang. ¹⁴ Gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan nito, pisikal na pinaghihiwalay ng separator ng baterya ang dalawang electrodes mula sa isa't isa, kaya iniiwasan ang isang maikling circuit.Sa kaso ng isang likidong electrolyte, ang separator ay isang foam na materyal na nababad sa electrolyte at pinipigilan ito sa lugar.Kailangan itong maging isang electronic insulator habang may minimal na electrolyte resistance, maximum mechanical stability, at chemical resistance sa degradation sa highly electrochemically active na kapaligiran.Bilang karagdagan, ang separator ay madalas na may tampok na pangkaligtasan, na tinatawag na "thermal shutdown;"sa mataas na temperatura, natutunaw o isinasara nito ang mga pores nito upang isara ang transportasyon ng lithium-ion nang hindi nawawala ang mekanikal na katatagan nito.Ang mga separator ay maaaring synthesize sa mga sheet at binuo kasama ang mga electrodes o idineposito sa isang electrode sa situ.Sa gastos, ang huli ay ang mas kanais-nais na paraan ngunit nagdudulot ng ilang iba pang synthesis, paghawak, at mga problema sa makina.Ang mga solid-state na electrolyte at ilang polymer electrolyte ay hindi nangangailangan ng separator.