چه موادی در باتری لیتیوم یونی وجود دارد؟

مواد کاتدی پیشرفته شامل اکسیدهای لیتیوم-فلز [مانند LiCoO ₂ ، LiMn ₂ O ₄ و Li(NixMnyCoz)O ₂ ]، اکسیدهای وانادیوم، الیوین ها (مانند LiFePO ₄ ) و اکسیدهای لیتیوم قابل شارژ. ^11،12 اکسیدهای لایه ای حاوی کبالت و نیکل بیشترین مواد مورد مطالعه برای باتری های لیتیوم یونی هستند.آنها پایداری بالایی در محدوده ولتاژ بالا نشان می‌دهند، اما کبالت در طبیعت در دسترس محدود است و سمی است، که یک نقطه ضعف بزرگ برای تولید انبوه است.منگنز جایگزینی کم‌هزینه با آستانه حرارتی بالا و قابلیت‌های نرخ عالی اما رفتار دوچرخه‌سواری محدود ارائه می‌دهد.بنابراین، مخلوط کبالت، نیکل و منگنز اغلب برای ترکیب بهترین خواص و به حداقل رساندن معایب استفاده می شود.اکسیدهای وانادیوم دارای ظرفیت زیاد و سینتیک عالی هستند.با این حال، به دلیل وارد کردن و استخراج لیتیوم، ماده تمایل به بی شکل شدن دارد که رفتار دوچرخه سواری را محدود می کند.الیوین ها غیر سمی هستند و دارای ظرفیت متوسط ​​با محو شدن کم به دلیل دوچرخه سواری هستند، اما رسانایی آنها کم است.روش‌هایی برای پوشش مواد معرفی شده‌اند که رسانایی ضعیف را جبران می‌کنند، اما برخی هزینه‌های پردازش را به باتری اضافه می‌کنند.

مواد آند

مواد آند لیتیوم، گرافیت، مواد آلیاژی لیتیوم، بین فلزات یا سیلیکون هستند. ¹¹ به نظر می‌رسد لیتیوم مستقیم‌ترین ماده باشد، اما در رفتار دوچرخه‌سواری و رشد دندریتی مشکلاتی را نشان می‌دهد که باعث ایجاد اتصال کوتاه می‌شود.آندهای کربنی به دلیل ارزان بودن و در دسترس بودن، پرکاربردترین مواد آندی هستند.با این حال، ظرفیت تئوری (372 میلی آمپر ساعت بر گرم) در مقایسه با چگالی شارژ لیتیوم (3862 میلی آمپر ساعت بر گرم) ضعیف است.برخی از تلاش‌ها با انواع گرافیت جدید و نانولوله‌های کربنی تلاش کرده‌اند ظرفیت را افزایش دهند، اما با هزینه‌های بالای پردازش همراه بوده‌اند.آندهای آلیاژی و ترکیبات بین فلزی ظرفیت بالایی دارند اما تغییر حجم چشمگیری را نیز نشان می‌دهند و در نتیجه رفتار دوچرخه‌سواری ضعیفی دارند.تلاش‌هایی برای غلبه بر تغییر حجم با استفاده از مواد نانوکریستالی و با قرار دادن فاز آلیاژی (با Al، Bi، Mg، Sb، Sn، Zn، و غیره) در یک ماتریس تثبیت غیرآلیاژی (با Co، Cu، Fe، یا) انجام شده است. نی).سیلیکون دارای ظرفیت بسیار بالای 4199 میلی آمپر بر گرم است که با ترکیب Si مطابقت دارد. ₅ لی ₂₂ .با این حال، رفتار دوچرخه سواری ضعیف است و ظرفیت محو شدن هنوز درک نشده است.

الکترولیت ها

یک باتری ایمن و طولانی مدت به الکترولیت قوی نیاز دارد که بتواند ولتاژ موجود و دمای بالا را تحمل کند و ماندگاری طولانی داشته باشد و در عین حال تحرک بالایی را برای یون های لیتیوم ارائه دهد.انواع آن شامل الکترولیت های مایع، پلیمری و حالت جامد است. ¹¹ الکترولیت های مایع عمدتاً الکترولیت های آلی و مبتنی بر حلال حاوی LiBC هستند ₄ O ₈ (LiBOB)، LiPF ₆ ، لی[PF ₃ (سی ₂ اف ₅ ) ₃ ] یا مشابهمهمترین نکته قابل اشتعال بودن آنهاست.بهترین حلال ها دارای نقطه جوش پایین و نقطه اشتعال در حدود 30 درجه سانتیگراد هستند.بنابراین، تهویه یا انفجار سلول و متعاقباً باتری، خطری را به همراه دارد.تجزیه الکترولیت و واکنش‌های جانبی بسیار گرمازا در باتری‌های لیتیوم یونی می‌تواند اثری به نام «فرار حرارتی» ایجاد کند.بنابراین، انتخاب یک الکترولیت اغلب شامل یک معاوضه بین قابلیت اشتعال و عملکرد الکتروشیمیایی است.

جداکننده ها دارای مکانیسم های خاموش کننده حرارتی داخلی هستند و سیستم های مدیریت حرارتی پیشرفته خارجی اضافی به ماژول ها و بسته های باتری اضافه می شوند.مایعات یونی به دلیل پایداری حرارتی مورد بررسی قرار می گیرند، اما دارای اشکالات عمده ای هستند، مانند انحلال لیتیوم در خارج از آند.

الکترولیت های پلیمری پلیمرهای رسانای یونی هستند.آنها اغلب در کامپوزیت ها با نانو ذرات سرامیکی مخلوط می شوند و در نتیجه رسانایی بالاتر و مقاومت در برابر ولتاژهای بالاتر را ایجاد می کنند.علاوه بر این، به دلیل ویسکوزیته بالا و رفتار شبه جامد، الکترولیت های پلیمری می توانند از رشد دندریت های لیتیوم جلوگیری کنند. ¹³ و بنابراین می تواند با آندهای فلزی لیتیوم استفاده شود.

الکترولیت های جامد کریستال های رسانای لیتیوم-یون و شیشه های سرامیکی هستند.آنها عملکرد بسیار ضعیفی در دمای پایین نشان می دهند زیرا تحرک لیتیوم در جامدات در دماهای پایین بسیار کاهش می یابد.علاوه بر این، الکترولیت‌های جامد برای به دست آوردن رفتار قابل قبول، به شرایط رسوب‌گذاری خاص و درمان‌های دمایی نیاز دارند که استفاده از آنها را بسیار گران می‌کند، اگرچه نیاز به جداکننده‌ها و خطر فرار حرارتی را از بین می‌برند.

جداکننده ها

بررسی خوبی از مواد و نیازهای جداکننده توسط P. Arora و Z. Zhang ارائه شده است. ¹⁴ همانطور که از نامش پیداست، جداکننده باتری، دو الکترود را به صورت فیزیکی از یکدیگر جدا می کند، بنابراین از اتصال کوتاه جلوگیری می کند.در مورد الکترولیت مایع، جداکننده یک ماده فومی است که با الکترولیت آغشته شده و آن را در جای خود نگه می دارد.این باید یک عایق الکترونیکی باشد در حالی که حداقل مقاومت الکترولیت، حداکثر پایداری مکانیکی و مقاومت شیمیایی در برابر تخریب در محیط بسیار فعال الکتروشیمیایی را داشته باشد.علاوه بر این، جداکننده اغلب دارای یک ویژگی ایمنی به نام "خاموش حرارتی" است.در دماهای بالا، منافذ خود را ذوب می کند یا می بندد تا انتقال لیتیوم-یون بدون از دست دادن پایداری مکانیکی آن متوقف شود.جداکننده ها یا در صفحات سنتز می شوند و با الکترودها مونتاژ می شوند یا بر روی یک الکترود در محل قرار می گیرند.از نظر هزینه، روش دوم روش ارجح است اما برخی دیگر از مشکلات سنتز، جابجایی و مکانیکی را ایجاد می کند.الکترولیت های حالت جامد و برخی از الکترولیت های پلیمری نیازی به جداکننده ندارند.