Watter materiale is in 'n litiumioonbattery?

Moderne katodemateriale sluit litium-metaaloksiede in [soos LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , en Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadiumoksiede, oliviene (soos LiFePO ₄ ), en herlaaibare litiumoksiede. ^11,12 Gelaagde oksiede wat kobalt en nikkel bevat, is die materiaal wat die meeste bestudeer is vir litiumioonbatterye.Hulle toon 'n hoë stabiliteit in die hoëspanningreeks, maar kobalt het 'n beperkte beskikbaarheid in die natuur en is giftig, wat 'n geweldige nadeel vir massavervaardiging is.Mangaan bied 'n laekoste-vervanging met 'n hoë termiese drempel en uitstekende tempo-vermoëns, maar beperkte fietsrygedrag.Daarom word mengsels van kobalt, nikkel en mangaan dikwels gebruik om die beste eienskappe te kombineer en die nadele te verminder.Vanadiumoksiede het 'n groot kapasiteit en uitstekende kinetika.As gevolg van litiuminvoeging en -ekstraksie is die materiaal egter geneig om amorf te word, wat die fietsrygedrag beperk.Olivyne is nie-giftig en het 'n matige kapasiteit met 'n lae vervaag as gevolg van fietsry, maar hul geleidingsvermoë is laag.Metodes om die materiaal te bedek, is bekendgestel wat die swak geleidingsvermoë vergoed, maar dit voeg 'n mate van verwerkingskoste by die battery.

Anode materiaal

Anodemateriale is litium, grafiet, litium-legeringsmateriale, intermetale of silikon. ¹¹ Litium blyk die mees reguit materiaal te wees, maar toon probleme met fietsrygedrag en dendritiese groei, wat kortsluitings skep.Koolstofhoudende anodes is die mees gebruikte anodiese materiaal vanweë hul lae koste en beskikbaarheid.Die teoretiese kapasiteit (372 mAh/g) is egter swak in vergelyking met die ladingsdigtheid van litium (3 862 mAh/g).Sommige pogings met nuwe grafietvariëteite en koolstofnanobuise het probeer om die kapasiteit te verhoog, maar het gekom met die prys van hoë verwerkingskoste.Allooi-anodes en intermetaalverbindings het hoë kapasiteit, maar toon ook 'n dramatiese volumeverandering, wat lei tot swak fietsrygedrag.Pogings is aangewend om die volumeverandering te oorkom deur nanokristallyne materiale te gebruik en deur die legeringsfase (met Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn en ander) in 'n nie-legerende stabiliseringsmatriks (met Co, Cu, Fe, of Ni).Silikon het 'n uiters hoë kapasiteit van 4 199 mAh/g, wat ooreenstem met 'n samestelling van Si ₅ Li ₂₂ .Fietsrygedrag is egter swak, en kapasiteitsverlies word nog nie verstaan ​​nie.

Elektroliete

'n Veilige en langdurige battery benodig 'n robuuste elektroliet wat bestaande spanning en hoë temperature kan weerstaan ​​en wat 'n lang raklewe het terwyl dit 'n hoë mobiliteit vir litiumione bied.Tipes sluit in vloeibare, polimeer en vaste toestand elektroliete. ¹¹ Vloeibare elektroliete is meestal organiese, oplosmiddelgebaseerde elektroliete wat LiBC bevat ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], of soortgelyk.Die belangrikste oorweging is hul vlambaarheid;die oplosmiddels wat die beste presteer het lae kookpunte en het vlampunte rondom 30°C.Daarom hou ventilasie of ontploffing van die sel en daarna die battery 'n gevaar in.Elektroliet-ontbinding en hoogs eksotermiese newe-reaksies in litium-ioonbatterye kan 'n effek skep wat bekend staan ​​as "termiese weghol."Die keuse van 'n elektroliet behels dus dikwels 'n afweging tussen vlambaarheid en elektrochemiese werkverrigting.

Skeiers het ingeboude termiese afskakelmeganismes, en bykomende eksterne gesofistikeerde termiese bestuurstelsels word by die modules en batterypakke gevoeg.Ioniese vloeistowwe word oorweeg as gevolg van hul termiese stabiliteit, maar het groot nadele, soos litiumoplossing uit die anode.

Polimeerelektroliete is ionies geleidende polimere.Hulle word dikwels in samestellings met keramieknanopartikels gemeng, wat lei tot hoër geleidingsvermoëns en weerstand teen hoër spannings.Daarbenewens, as gevolg van hul hoë viskositeit en kwasi-soliede gedrag, kan polimeer elektroliete die groei van litium dendriete inhibeer ¹³ en kan dus met litiummetaalanodes gebruik word.

Vaste elektroliete is litium-ioon geleidende kristalle en keramiekglase.Hulle toon 'n baie swak lae-temperatuur werkverrigting omdat die litiumbeweeglikheid in die vaste stof aansienlik verminder word by lae temperature.Daarbenewens benodig vaste elektroliete spesiale afsettingstoestande en temperatuurbehandelings om aanvaarbare gedrag te verkry, wat hulle uiters duur maak in gebruik, alhoewel hulle die behoefte aan skeiers en die risiko van termiese weghol uitskakel.

Skeiers

'n Goeie oorsig van skeiermateriaal en -behoeftes word verskaf deur P. Arora en Z. Zhang. ¹⁴ Soos die naam aandui, skei die batteryskeier die twee elektrodes fisies van mekaar en vermy dus 'n kortsluiting.In die geval van 'n vloeibare elektroliet is die skeier 'n skuimmateriaal wat met die elektroliet geweek word en dit in plek hou.Dit moet 'n elektroniese isolator wees terwyl dit minimale elektrolietweerstand, maksimum meganiese stabiliteit en chemiese weerstand teen degradasie in die hoogs elektrochemies aktiewe omgewing het.Daarbenewens het die skeier dikwels 'n veiligheidskenmerk, genaamd "termiese afskakeling;"by verhoogde temperature smelt of maak dit sy porieë toe om die litium-ioon-vervoer af te skakel sonder om sy meganiese stabiliteit te verloor.Skeiers word óf in velle gesintetiseer en met die elektrodes aanmekaargesit óf in situ op een elektrode neergesit.Kostegewys is laasgenoemde die metode wat verkieslik is, maar hou 'n paar ander sintese-, hantering- en meganiese probleme in.Vastetoestand elektroliete en sommige polimeer elektroliete het geen skeier nodig nie.