Mitä materiaaleja litiumioniakuissa on?

Huippuluokan katodimateriaaleja ovat litiummetallioksidit [kuten LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ ja Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadiinioksidit, oliviinit (kuten LiFePO ₄ ) ja ladattavat litiumoksidit. ^11,12 Kobolttia ja nikkeliä sisältävät kerrosoksidit ovat eniten tutkittuja materiaaleja litiumioniakuissa.Ne osoittavat suurta stabiilisuutta suurjännitealueella, mutta koboltin saatavuus luonnossa on rajallinen ja se on myrkyllistä, mikä on valtava haitta massatuotannossa.Mangaani tarjoaa edullisen korvauksen korkealla lämpökynnyksellä ja erinomaisella nopeudella, mutta rajoitetulla pyöräilykäyttäytymisellä.Siksi koboltin, nikkelin ja mangaanin seoksia käytetään usein yhdistämään parhaat ominaisuudet ja minimoimaan haitat.Vanadiumoksideilla on suuri kapasiteetti ja erinomainen kinetiikka.Litiumin lisäämisen ja poistamisen vuoksi materiaalilla on kuitenkin taipumus muuttua amorfiseksi, mikä rajoittaa pyöräilykäyttäytymistä.Oliviinit ovat myrkyttömiä ja niiden kapasiteetti on kohtalainen, ja niiden haalistuminen on vähäistä pyöräilyn vuoksi, mutta niiden johtavuus on alhainen.Materiaalin päällystysmenetelmiä on otettu käyttöön, jotka korvaavat huonon johtavuuden, mutta se lisää akun käsittelykustannuksia.

Anodi materiaalit

Anodimateriaaleja ovat litium, grafiitti, litiumia seostavat materiaalit, metallien väliset materiaalit tai pii. ¹¹ Litium näyttää olevan suoraviivaisin materiaali, mutta siinä on ongelmia pyöräilykäyttäytymisessä ja dendriittien kasvussa, mikä aiheuttaa oikosulkuja.Hiilipitoiset anodit ovat eniten käytetty anodimateriaali alhaisten kustannustensa ja saatavuutensa vuoksi.Teoreettinen kapasiteetti (372 mAh/g) on ​​kuitenkin heikko verrattuna litiumin varaustiheyteen (3 862 mAh/g).Jotkut ponnistelut uusilla grafiittilajikkeilla ja hiilinanoputkilla ovat yrittäneet lisätä kapasiteettia, mutta ne ovat tuoneet mukanaan korkeat käsittelykustannukset.Seosanodeilla ja metallien välisillä yhdisteillä on suuri kapasiteetti, mutta ne osoittavat myös dramaattista tilavuuden muutosta, mikä johtaa huonoon pyöräilykäyttäytymiseen.Tilavuuden muutosta on yritetty voittaa käyttämällä nanokiteisiä materiaaleja ja pitämällä seosfaasi (jossa on Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn ja muut) seostamattomassa stabilointimatriisissa (jossa Co, Cu, Fe tai Ni).Piin kapasiteetti on erittäin korkea, 4 199 mAh/g, mikä vastaa Si:n koostumusta ₅ Li ₂₂ .Pyöräilykäyttäytyminen on kuitenkin huonoa, eikä kapasiteetin hiipumista vielä ymmärretä.

Elektrolyytit

Turvallinen ja pitkäkestoinen akku tarvitsee vankan elektrolyytin, joka kestää olemassa olevaa jännitettä ja korkeita lämpötiloja ja jolla on pitkä käyttöikä samalla, kun se tarjoaa korkean liikkuvuuden litiumioneille.Tyyppejä ovat nestemäiset, polymeeriset ja kiinteät elektrolyytit. ¹¹ Nestemäiset elektrolyytit ovat enimmäkseen orgaanisia, liuotinpohjaisia ​​elektrolyyttejä, jotka sisältävät LiBC:tä ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], tai samankaltainen.Tärkein näkökohta on niiden syttyvyys;parhaiten toimivilla liuottimilla on alhaiset kiehumispisteet ja niiden leimahduspisteet ovat noin 30 °C.Tästä syystä kennon ja sen jälkeen akun ilmaaminen tai räjähdys aiheuttaa vaaran.Elektrolyyttien hajoaminen ja erittäin eksotermiset sivureaktiot litiumioniakuissa voivat luoda vaikutuksen, joka tunnetaan nimellä "lämpökarkaistuminen".Näin ollen elektrolyytin valintaan liittyy usein kompromissi syttyvyyden ja sähkökemiallisen suorituskyvyn välillä.

Erottimissa on sisäänrakennetut lämpösulkumekanismit, ja moduuleihin ja akkuihin on lisätty ulkoisia kehittyneitä lämmönhallintajärjestelmiä.Ionisia nesteitä harkitaan niiden lämpöstabiilisuuden vuoksi, mutta niillä on suuria haittoja, kuten litiumin liukeneminen ulos anodista.

Polymeerielektrolyytit ovat ionisesti johtavia polymeerejä.Ne sekoitetaan usein komposiitteihin keraamisten nanohiukkasten kanssa, mikä johtaa korkeampaan johtavuuteen ja vastustuskykyyn korkeammille jännitteille.Lisäksi korkean viskositeetin ja näennäisen kiinteän käyttäytymisensä vuoksi polymeerielektrolyytit voivat estää litiumdendriittien kasvua. ¹³ ja siksi sitä voidaan käyttää litiummetallianodien kanssa.

Kiinteät elektrolyytit ovat litiumionia johtavia kiteitä ja keraamisia laseja.Niillä on erittäin huono suorituskyky matalissa lämpötiloissa, koska litiumin liikkuvuus kiinteässä aineessa vähenee huomattavasti alhaisissa lämpötiloissa.Lisäksi kiinteät elektrolyytit tarvitsevat erityisiä saostusolosuhteita ja lämpötilakäsittelyjä saavuttaakseen hyväksyttävän käyttäytymisen, mikä tekee niistä erittäin kalliita käytössä, vaikka ne poistavat erottimien tarpeen ja lämmön karkaamisen riskin.

Erottimet

P. Arora ja Z. Zhang tarjoavat hyvän katsauksen erottimen materiaaleista ja tarpeista. ¹⁴ Kuten nimestä voi päätellä, paristoerotin erottaa kaksi elektrodia fyysisesti toisistaan ​​välttäen näin oikosulun.Nestemäisen elektrolyytin tapauksessa erotin on vaahtomateriaalia, joka on liotettu elektrolyytillä ja pitää sen paikallaan.Sen on oltava elektroninen eriste, samalla kun sillä on minimaalinen elektrolyyttiresistanssi, maksimaalinen mekaaninen stabiilisuus ja kemiallinen kestävyys hajoamista vastaan ​​erittäin sähkökemiallisesti aktiivisessa ympäristössä.Lisäksi erottimessa on usein turvaominaisuus, jota kutsutaan "lämpösuojaksi".korkeissa lämpötiloissa se sulaa tai sulkee huokosensa sulkeakseen litiumionien kuljetuksen menettämättä mekaanista stabiilisuuttaan.Erottimet joko syntetisoidaan levyinä ja kootaan elektrodien kanssa tai kerrostetaan yhdelle elektrodille in situ.Kustannusten kannalta jälkimmäinen menetelmä on suositeltavampi, mutta se aiheuttaa muita synteesi-, käsittely- ja mekaanisia ongelmia.Kiinteän olomuodon elektrolyytit ja jotkut polymeerielektrolyytit eivät tarvitse erotinta.