| Vật liệu pin lithium ion là những thành phần thiết yếu trong quá trình sản xuất pin lithium-ion , được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, xe điện và hệ thống năng lượng tái tạo khác nhau. Những loại pin này bao gồm một số vật liệu chính phối hợp với nhau để lưu trữ và giải phóng năng lượng điện một cách hiệu quả. Vật liệu catốt
Các vật liệu catốt tiên tiến bao gồm các oxit kim loại lithium [như LiCoO 2 , LiMn 2 Ô 4 và Li(NixMnyCoz)O 2 ], oxit vanadi, olivin (như LiFePO 4 ) và oxit lithium có thể sạc lại. 11,12 Các oxit phân lớp có chứa coban và niken là những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất để chế tạo pin lithium-ion. Chúng cho thấy độ ổn định cao ở dải điện áp cao nhưng coban có sẵn trong tự nhiên hạn chế và độc hại, đây là một nhược điểm to lớn đối với sản xuất hàng loạt. Mangan cung cấp chất thay thế chi phí thấp với ngưỡng nhiệt cao và khả năng tốc độ tuyệt vời nhưng hoạt động đạp xe hạn chế. Vì vậy, hỗn hợp coban, niken và mangan thường được sử dụng để kết hợp các đặc tính tốt nhất và giảm thiểu nhược điểm. Vanadi oxit có công suất lớn và động học tuyệt vời. Tuy nhiên, do chèn và chiết lithium, vật liệu có xu hướng trở nên vô định hình, làm hạn chế hoạt động đạp xe. Olivin không độc hại và có công suất vừa phải, độ phai màu thấp do luân chuyển nhưng độ dẫn điện của chúng thấp. Các phương pháp phủ vật liệu đã được giới thiệu để bù đắp cho độ dẫn điện kém nhưng lại làm tăng thêm chi phí xử lý cho pin.
Vật liệu cực dương
Vật liệu làm cực dương là lithium, than chì, vật liệu hợp kim lithium, kim loại liên kết hoặc silicon. 11 Lithium dường như là vật liệu đơn giản nhất nhưng lại bộc lộ các vấn đề về hành vi tuần hoàn và sự phát triển đuôi gai, tạo ra các mạch ngắn. Cực dương cacbonat là vật liệu anốt được sử dụng nhiều nhất do chi phí thấp và sẵn có. Tuy nhiên, dung lượng lý thuyết (372 mAh/g) kém so với mật độ điện tích của lithium (3.862 mAh/g). Một số nỗ lực với các loại than chì mới và ống nano carbon đã cố gắng tăng công suất nhưng phải trả giá bằng chi phí xử lý cao. Cực dương hợp kim và các hợp chất liên kim loại có điện dung cao nhưng cũng có sự thay đổi âm lượng đáng kể, dẫn đến hoạt động tuần hoàn kém. Các nỗ lực đã được thực hiện để khắc phục sự thay đổi thể tích bằng cách sử dụng vật liệu tinh thể nano và bằng cách có pha hợp kim (với Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn và các loại khác) trong ma trận ổn định không hợp kim (với Co, Cu, Fe hoặc Ni). Silicon có công suất cực cao 4.199 mAh/g, tương ứng với thành phần Si 5 Lý 22 . Tuy nhiên, hành vi đi xe đạp còn kém và năng lực suy giảm vẫn chưa được hiểu rõ. Chất điện giải
Pin an toàn và lâu dài cần chất điện phân mạnh có thể chịu được điện áp hiện tại và nhiệt độ cao, đồng thời có thời hạn sử dụng lâu dài đồng thời mang lại tính di động cao cho các ion lithium. Các loại bao gồm chất điện phân lỏng, polyme và trạng thái rắn. 11 Chất điện phân lỏng chủ yếu là chất điện phân hữu cơ, gốc dung môi có chứa LiBC 4 Ô 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], hoặc tương tự. Việc xem xét quan trọng nhất là tính dễ cháy của chúng; các dung môi hoạt động tốt nhất có điểm sôi thấp và có điểm chớp cháy khoảng 30°C. Do đó, việc thoát hơi hoặc nổ pin và sau đó là pin sẽ gây nguy hiểm. Sự phân hủy chất điện phân và các phản ứng phụ tỏa nhiệt cao trong pin lithium-ion có thể tạo ra hiệu ứng được gọi là “sự thoát nhiệt”. Do đó, việc lựa chọn chất điện phân thường liên quan đến sự cân bằng giữa tính dễ cháy và hiệu suất điện hóa. Dấu phân cách P. Arora và Z. Zhang đã đưa ra đánh giá tốt về vật liệu phân tách và nhu cầu. 14 Đúng như tên gọi của nó, bộ tách pin tách hai điện cực về mặt vật lý với nhau, do đó tránh được hiện tượng đoản mạch. Trong trường hợp chất điện phân lỏng, thiết bị phân tách là vật liệu xốp được ngâm trong chất điện phân và giữ nó đúng vị trí. Nó cần phải là một chất cách điện điện tử trong khi có điện trở điện cực tối thiểu, độ ổn định cơ học tối đa và khả năng chống phân hủy hóa học trong môi trường hoạt động điện hóa cao. Ngoài ra, thiết bị phân tách thường có tính năng an toàn gọi là “tắt nhiệt”; ở nhiệt độ cao, nó tan chảy hoặc đóng các lỗ chân lông để ngừng vận chuyển lithium-ion mà không làm mất đi độ ổn định cơ học. Các bộ phân tách được tổng hợp thành các tấm và được lắp ráp với các điện cực hoặc đặt trên một điện cực tại chỗ. Về mặt chi phí, phương pháp thứ hai là phương pháp thích hợp hơn nhưng đặt ra một số vấn đề tổng hợp, xử lý và cơ học khác. Chất điện phân ở trạng thái rắn và một số chất điện phân polyme không cần thiết bị phân tách. Các bộ phân tách có cơ chế tắt nhiệt tích hợp và các hệ thống quản lý nhiệt phức tạp bên ngoài bổ sung được thêm vào các mô-đun và bộ pin. Chất lỏng ion đang được xem xét do tính ổn định nhiệt của chúng nhưng có nhược điểm lớn, chẳng hạn như sự hòa tan lithium ra khỏi cực dương. Chất điện phân polyme là các polyme dẫn ion. Chúng thường được trộn lẫn trong vật liệu tổng hợp với các hạt nano gốm, mang lại độ dẫn điện cao hơn và khả năng chống lại điện áp cao hơn. Ngoài ra, do độ nhớt cao và hoạt động gần như rắn, chất điện phân polyme có thể ức chế các sợi nhánh lithium phát triển. 13 và do đó có thể được sử dụng với cực dương kim loại lithium. Chất điện phân rắn là tinh thể dẫn điện lithium-ion và thủy tinh gốm. Chúng thể hiện tính năng hoạt động rất kém ở nhiệt độ thấp vì độ linh động của lithium trong chất rắn giảm đi đáng kể ở nhiệt độ thấp. Ngoài ra, chất điện phân rắn cần các điều kiện lắng đọng đặc biệt và xử lý nhiệt độ để có được đặc tính chấp nhận được, khiến chúng cực kỳ tốn kém khi sử dụng, mặc dù chúng loại bỏ nhu cầu về thiết bị phân tách và nguy cơ thoát nhiệt. Tóm lại, vật liệu pin lithium ion đóng vai trò quan trọng trong hoạt động và hiệu quả tổng thể của pin lithium-ion . Những nỗ lực nghiên cứu và phát triển đang diễn ra tiếp tục khám phá các vật liệu và công nghệ mới để cải thiện hơn nữa hiệu suất và tính bền vững của pin lithium-ion. |
