Que materiais hai nunha batería de iones de litio?

Os materiais de cátodo de última xeración inclúen óxidos de litio-metal [como LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ , e Li(NixMnyCoz)O ₂ ], óxidos de vanadio, olivinas (como LiFePO ₄ ), e óxidos de litio recargables. ^11,12 Os óxidos en capas que conteñen cobalto e níquel son os materiais máis estudados para as baterías de ión-litio.Mostran unha alta estabilidade no rango de alta tensión pero o cobalto ten unha dispoñibilidade limitada na natureza e é tóxico, o que supón un enorme inconveniente para a fabricación en masa.O manganeso ofrece unha substitución de baixo custo cun alto limiar térmico e excelentes capacidades de taxa, pero un comportamento cíclico limitado.Polo tanto, adoitan usar mesturas de cobalto, níquel e manganeso para combinar as mellores propiedades e minimizar os inconvenientes.Os óxidos de vanadio teñen unha gran capacidade e unha excelente cinética.Non obstante, debido á inserción e extracción de litio, o material tende a volverse amorfo, o que limita o comportamento cíclico.As olivas non son tóxicas e teñen unha capacidade moderada con baixo desvanecemento debido ao ciclo, pero a súa condutividade é baixa.Introducíronse métodos de revestimento do material que compensan a mala condutividade, pero engade algúns custos de procesamento á batería.

Materiais de ánodos

Os materiais ánodos son litio, grafito, materiais de aleación de litio, intermetálicos ou silicio. ¹¹ O litio parece ser o material máis directo, pero mostra problemas co comportamento cíclico e o crecemento dendrítico, o que crea curtocircuítos.Os ánodos carbonosos son o material anódico máis utilizado polo seu baixo custo e dispoñibilidade.Non obstante, a capacidade teórica (372 mAh/g) é pobre en comparación coa densidade de carga do litio (3.862 mAh/g).Algúns esforzos con novas variedades de grafito e nanotubos de carbono tentaron aumentar a capacidade, pero chegaron co prezo de altos custos de procesamento.Os ánodos de aliaxe e os compostos intermetálicos teñen altas capacidades pero tamén mostran un cambio de volume dramático, o que resulta nun comportamento cíclico deficiente.Esforzáronse para superar o cambio de volume empregando materiais nanocristalinos e tendo a fase de aliaxe (con Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn e outros) nunha matriz de estabilización non aleante (con Co, Cu, Fe ou Ni).O silicio ten unha capacidade extremadamente alta de 4.199 mAh/g, correspondente a unha composición de Si ₅ Li ₂₂ .Non obstante, o comportamento do ciclismo é deficiente e aínda non se entende a diminución da capacidade.

Electrolitos

Unha batería segura e de longa duración precisa dun electrólito robusto que poida soportar a tensión existente e as altas temperaturas e que teña unha longa vida útil ao tempo que ofreza unha gran mobilidade para os ións de litio.Os tipos inclúen electrólitos líquidos, polímeros e en estado sólido. ¹¹ Os electrólitos líquidos son na súa maioría electrólitos orgánicos baseados en disolventes que conteñen LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] ou semellante.A consideración máis importante é a súa inflamabilidade;os disolventes de mellor rendemento teñen un punto de ebulición baixo e un punto de inflamación ao redor dos 30 °C.Polo tanto, a ventilación ou a explosión da cela e, posteriormente, da batería supoñen un perigo.A descomposición de electrólitos e as reaccións secundarias altamente exotérmicas nas baterías de iones de litio poden crear un efecto coñecido como "fuga térmica".Así, a selección dun electrólito adoita implicar unha compensación entre a inflamabilidade e o rendemento electroquímico.

Os separadores teñen mecanismos de apagado térmico integrados e engádense sistemas de xestión térmica sofisticados externos adicionais aos módulos e ás baterías.Os líquidos iónicos están en consideración debido á súa estabilidade térmica, pero teñen importantes inconvenientes, como a disolución do litio fóra do ánodo.

Os electrólitos poliméricos son polímeros condutores iónicos.Moitas veces mestúranse en compostos con nanopartículas cerámicas, o que resulta en condutividades e resistencia a maiores tensións.Ademais, debido á súa alta viscosidade e comportamento case sólido, os electrólitos de polímero poderían inhibir o crecemento das dendritas de litio. ¹³ e, polo tanto, podería usarse con ánodos de metal de litio.

Os electrólitos sólidos son cristais condutores de iones de litio e cristais cerámicos.Mostran un rendemento moi pobre a baixas temperaturas porque a mobilidade do litio no sólido redúcese moito a baixas temperaturas.Ademais, os electrólitos sólidos precisan de condicións especiais de deposición e tratamentos de temperatura para obter un comportamento aceptable, polo que son extremadamente caros de uso, aínda que eliminan a necesidade de separadores e o risco de fuga térmica.

Separadores

P. Arora e Z. Zhang proporcionan unha boa revisión dos materiais e necesidades do separador. ¹⁴ Como o seu nome indica, o separador de baterías separa fisicamente os dous electrodos entre si, evitando así un curtocircuíto.No caso dun electrólito líquido, o separador é un material de escuma que se empapa co electrólito e o mantén no seu lugar.Debe ser un illante electrónico mentres ten unha mínima resistencia aos electrólitos, unha máxima estabilidade mecánica e unha resistencia química á degradación no ambiente altamente electroquímicamente activo.Ademais, o separador adoita ter unha característica de seguridade, chamada "apagamento térmico";a temperaturas elevadas, derrete ou pecha os seus poros para parar o transporte de iones de litio sen perder a súa estabilidade mecánica.Os separadores son sintetizados en follas e ensamblados cos electrodos ou depositados nun electrodo in situ.Polo que respecta ao custo, este último é o método preferible pero presenta outros problemas de síntese, manexo e mecánicos.Os electrólitos de estado sólido e algúns electrólitos de polímero non necesitan separadores.