Lityum iyon pilde hangi malzemeler bulunur?

Katot Malzemeleri

En son teknolojiye sahip katot malzemeleri arasında lityum-metal oksitler [LiCoO gibi ₂ , LiMn ₂ O ₄ ve Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadyum oksitler, olivinler (LiFePO gibi) ₄ ) ve şarj edilebilir lityum oksitler. ^11,12 Kobalt ve nikel içeren katmanlı oksitler, lityum iyon piller için en çok çalışılan malzemelerdir. Yüksek voltaj aralığında yüksek stabilite gösterirler ancak kobaltın doğada sınırlı miktarda bulunurluğu vardır ve toksiktir, bu da seri üretim için büyük bir dezavantajdır. Manganez, yüksek termal eşik ve mükemmel hız kapasitesi, ancak sınırlı çevrim davranışı ile düşük maliyetli bir ikame sunar. Bu nedenle, en iyi özellikleri birleştirmek ve dezavantajları en aza indirmek için sıklıkla kobalt, nikel ve manganez karışımları kullanılır. Vanadyum oksitler büyük bir kapasiteye ve mükemmel kinetiğe sahiptir. Bununla birlikte, lityumun eklenmesi ve çıkarılması nedeniyle malzeme amorf hale gelme eğilimindedir ve bu da döngü davranışını sınırlar. Olivinler toksik değildir ve döngü nedeniyle sönümlemesi düşük, orta düzeyde bir kapasiteye sahiptir, ancak iletkenlikleri düşüktür. Zayıf iletkenliği telafi eden malzemeyi kaplama yöntemleri tanıtıldı, ancak bu, bataryaya bazı işlem maliyetleri katıyor.

Anot Malzemeleri

Anot malzemeleri lityum, grafit, lityum alaşımlı malzemeler, intermetalikler veya silikondur. ¹¹ Lityum en basit malzeme gibi görünse de kısa devrelere neden olan döngü davranışı ve dendritik büyüme ile ilgili sorunlar gösterir. Karbonlu anotlar, düşük maliyetleri ve bulunabilirlikleri nedeniyle en çok kullanılan anodik malzemedir. Ancak teorik kapasite (372 mAh/g), lityumun yük yoğunluğuyla (3.862 mAh/g) karşılaştırıldığında zayıftır. Yeni grafit çeşitleri ve karbon nanotüplerle yapılan bazı çalışmalar, kapasiteyi artırmaya çalışmış ancak yüksek işlem maliyetlerini beraberinde getirmiştir. Alaşımlı anotlar ve intermetalik bileşikler yüksek kapasitelere sahiptir ancak aynı zamanda önemli bir hacim değişikliği göstererek zayıf döngü davranışına neden olur. Nanokristal malzemeler kullanarak ve alaşım fazını (Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn ve diğerleri ile) alaşımsız bir stabilizasyon matrisinde (Co, Cu, Fe veya diğerleriyle) bulundurarak hacim değişikliğinin üstesinden gelmek için çaba sarf edilmiştir. Hayır). Silikon, Si bileşimine karşılık gelen 4.199 mAh/g gibi son derece yüksek bir kapasiteye sahiptir. ₅ Li ₂₂ . Ancak bisiklet sürme davranışı zayıftır ve kapasite kaybı henüz anlaşılamamıştır.

Elektrolitler

Güvenli ve uzun ömürlü bir pil, mevcut voltaja ve yüksek sıcaklıklara dayanabilen, uzun raf ömrüne sahip ve aynı zamanda lityum iyonları için yüksek hareket kabiliyeti sunan sağlam bir elektrolite ihtiyaç duyar. Türler arasında sıvı, polimer ve katı hal elektrolitleri bulunur. ¹¹ Sıvı elektrolitler çoğunlukla LiBC içeren organik, solvent bazlı elektrolitlerdir. ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] veya benzeri. En önemli husus yanıcılığıdır; En iyi performans gösteren solventlerin kaynama noktaları düşüktür ve parlama noktaları 30°C civarındadır. Bu nedenle hücrenin ve sonrasında pilin hava alması veya patlaması tehlike oluşturur. Lityum iyon pillerdeki elektrolit ayrışması ve yüksek derecede ekzotermik yan reaksiyonlar, "termal kaçak" olarak bilinen bir etki yaratabilir. Bu nedenle, bir elektrolitin seçimi genellikle yanıcılık ve elektrokimyasal performans arasında bir dengeyi içerir.

Ayırıcılar

Ayırıcı malzemeleri ve ihtiyaçları hakkında iyi bir inceleme P. Arora ve Z. Zhang tarafından sağlanmıştır. ¹⁴ Adından da anlaşılacağı gibi pil ayırıcı, iki elektrodu fiziksel olarak birbirinden ayırır ve böylece kısa devreyi önler. Sıvı elektrolit durumunda ayırıcı, elektrolite batırılmış ve onu yerinde tutan bir köpük malzemedir. Minimum elektrolit direncine, maksimum mekanik stabiliteye ve yüksek düzeyde elektrokimyasal olarak aktif ortamda bozulmaya karşı kimyasal dirence sahip olan bir elektronik yalıtkan olması gerekir. Ayrıca ayırıcının genellikle "termal kapatma" adı verilen bir güvenlik özelliği vardır; yüksek sıcaklıklarda, mekanik stabilitesini kaybetmeden lityum iyon taşınmasını kapatmak için erir veya gözeneklerini kapatır. Ayırıcılar ya tabakalar halinde sentezlenir ve elektrotlarla birleştirilir ya da yerinde bir elektrot üzerine biriktirilir. Maliyet açısından ikincisi tercih edilen yöntemdir ancak başka sentez, kullanım ve mekanik problemler doğurur. Katı hal elektrolitleri ve bazı polimer elektrolitlerin ayırıcıya ihtiyacı yoktur.

Ayırıcılarda yerleşik termal kapatma mekanizmaları bulunur ve modüllere ve akü paketlerine ilave harici gelişmiş termal yönetim sistemleri eklenir. İyonik sıvılar, termal stabiliteleri nedeniyle değerlendirilmektedir ancak lityumun anotta çözünmesi gibi önemli dezavantajları vardır.

Polimer elektrolitler iyonik olarak iletken polimerlerdir. Genellikle seramik nanopartiküller içeren kompozitlerle karıştırılırlar, bu da daha yüksek iletkenlik ve daha yüksek voltajlara karşı direnç sağlar. Ek olarak, yüksek viskoziteleri ve yarı katı davranışları nedeniyle polimer elektrolitler, lityum dendritlerin büyümesini engelleyebilir. ¹³ ve bu nedenle lityum metal anotlarla kullanılabilir.

Katı elektrolitler lityum iyon iletken kristaller ve seramik camlardır. Düşük sıcaklıklarda çok zayıf bir performans gösterirler çünkü katı içindeki lityum hareketliliği düşük sıcaklıklarda büyük ölçüde azalır. Ek olarak, katı elektrolitlerin kabul edilebilir davranış elde etmek için özel biriktirme koşullarına ve sıcaklık işlemlerine ihtiyacı vardır, bu da ayırıcılara olan ihtiyacı ve termal kaçak riskini ortadan kaldırmalarına rağmen kullanımlarını son derece pahalı hale getirir.

Sonuç olarak, lityum iyon pil malzemeleri genel performans ve verimliliğinde hayati bir rol oynamaktadır. lityum iyon piller . Devam eden araştırma ve geliştirme çalışmaları, lityum iyon pillerin performansını ve sürdürülebilirliğini daha da geliştirmek için yeni malzeme ve teknolojileri keşfetmeye devam ediyor.