אילו חומרים יש בסוללת ליתיום יון?

חומרי קתודה חדישים כוללים תחמוצות ליתיום-מתכת [כגון LiCoO ₂ , לימן ₂ O ₄ , ו-Li(NixMnyCoz)O ₂ ], תחמוצות ונדיום, אוליבינים (כגון LiFePO ₄ ), ותחמוצות ליתיום נטענות. ^11,12 תחמוצות שכבות המכילות קובלט וניקל הם החומרים הנחקרים ביותר עבור סוללות ליתיום-יון.הם מראים יציבות גבוהה בתחום המתח הגבוה, אך לקובלט יש זמינות מוגבלת בטבע והוא רעיל, וזה חיסרון אדיר לייצור המוני.מנגן מציע תחליף בעלות נמוכה עם סף תרמי גבוה ויכולות קצב מצוינות אך התנהגות רכיבה מוגבלת.לכן, תערובות של קובלט, ניקל ומנגן משמשות לעתים קרובות כדי לשלב את התכונות הטובות ביותר ולמזער את החסרונות.תחמוצות ונדיום בעלות קיבולת גדולה וקינטיקה מצוינת.עם זאת, עקב החדרת ומיצוי ליתיום, החומר נוטה להפוך לאמורפי, מה שמגביל את התנהגות הרכיבה.אוליבינים אינם רעילים ובעלי יכולת בינונית עם דהייה נמוכה עקב רכיבה על אופניים, אך המוליכות שלהם נמוכה.הוכנסו שיטות ציפוי של החומר שמפצות על המוליכות הירודה, אך היא מוסיפה עלויות עיבוד מסוימות לסוללה.

חומרים לאנודה

חומרי האנודה הם ליתיום, גרפיט, חומרים מסגסוגת ליתיום, אינטרמטאליים או סיליקון. ¹¹ נראה כי ליתיום הוא החומר הפשוט ביותר, אך מראה בעיות בהתנהגות רכיבה על אופניים וצמיחה דנדרטית, מה שיוצר קצר חשמלי.אנודות פחמימות הן החומר האנודי המנוצל ביותר בשל העלות הנמוכה והזמינות שלהן.עם זאת, הקיבולת התיאורטית (372 mAh/g) ירודה בהשוואה לצפיפות המטען של ליתיום (3,862 mAh/g).כמה מאמצים עם זני גרפיט חדשניים וננו-צינוריות פחמן ניסו להגדיל את הקיבולת אך הגיעו עם מחיר של עלויות עיבוד גבוהות.אנודות סגסוגת ותרכובות בין-מתכתיות בעלות קיבולות גבוהות אך גם מציגות שינוי נפח דרמטי, וכתוצאה מכך התנהגות אופניים לקויה.נעשו מאמצים להתגבר על שינוי הנפח על ידי שימוש בחומרים ננו-גבישיים ועל ידי קיום שלב הסגסוגת (עם Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn ואחרים) במטריצת ייצוב לא מתגיגה (עם Co, Cu, Fe, או Ni).לסיליקון קיבולת גבוהה במיוחד של 4,199 mAh/g, המקבילה להרכב של Si ₅ לי ₂₂ .עם זאת, התנהגות הרכיבה על אופניים גרועה, והיכולת דועכת עדיין לא מובנת.

אלקטרוליטים

סוללה בטוחה ועמידה זקוקה לאלקטרוליט חזק שיכול לעמוד במתח קיים ובטמפרטורות גבוהות ושיש לו חיי מדף ארוכים תוך שהוא מציע ניידות גבוהה ליוני ליתיום.הסוגים כוללים אלקטרוליטים נוזליים, פולימרים ואלקטרוליטים במצב מוצק. ¹¹ אלקטרוליטים נוזליים הם לרוב אלקטרוליטים אורגניים על בסיס ממיסים המכילים LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , לי[PF ₃ (ג ₂ ו ₅ ) ₃ ], או דומה.השיקול החשוב ביותר הוא דליקותם;לממיסים בעלי הביצועים הטובים ביותר יש נקודות רתיחה נמוכות ונקודות הבזק סביב 30 מעלות צלזיוס.לכן, אוורור או פיצוץ של התא ובעקבותיו הסוללה מהווים סכנה.פירוק אלקטרוליטים ותגובות לוואי אקסותרמיות מאוד בסוללות ליתיום-יון יכולים ליצור אפקט המכונה "בריחה תרמית".לפיכך, בחירת אלקטרוליט כרוכה לעתים קרובות בחילופין בין דליקות לביצועים אלקטרוכימיים.

למפרידים יש מנגנוני כיבוי תרמי מובנים, ומערכות ניהול תרמיות חיצוניות מתוחכמות נוספות מתווספות למודולים ולמארזי הסוללות.נוזלים יוניים נמצאים בבחינה בשל היציבות התרמית שלהם, אך יש להם חסרונות גדולים, כגון פירוק ליתיום מתוך האנודה.

אלקטרוליטים פולימרים הם פולימרים מוליכים יונית.לעתים קרובות הם מעורבבים בחומרים מרוכבים עם ננו-חלקיקים קרמיים, וכתוצאה מכך מוליכות גבוהה יותר ועמידות בפני מתחים גבוהים יותר.בנוסף, בשל הצמיגות הגבוהה שלהם והתנהגותם כמעט מוצקה, אלקטרוליטים פולימריים יכולים לעכב את גדילת הליתיום דנדריטים ¹³ ולכן יכול לשמש עם אנודות מתכת ליתיום.

אלקטרוליטים מוצקים הם גבישים מוליכים ליתיום-יון וכוסות קרמיות.הם מציגים ביצועים גרועים מאוד בטמפרטורה נמוכה מכיוון שניידות הליתיום במוצק מופחתת מאוד בטמפרטורות נמוכות.בנוסף, אלקטרוליטים מוצקים זקוקים לתנאי שקיעה מיוחדים ולטיפולי טמפרטורה כדי להשיג התנהגות מקובלת, מה שהופך אותם ליקרים מאוד בשימוש, למרות שהם מונעים את הצורך במפרידים ואת הסיכון לבריחה תרמית.

מפרידים

סקירה טובה של חומרים וצרכים מפרידים מסופקת על ידי P. Arora ו-Z. Zhang. ¹⁴ כפי ששמו מרמז, מפריד הסוללות מפריד בין שתי האלקטרודות פיזית אחת מהשנייה, ובכך נמנע מקצר חשמלי.במקרה של אלקטרוליט נוזלי, המפריד הוא חומר קצף הספוג באלקטרוליט ומחזיק אותו במקומו.זה צריך להיות מבודד אלקטרוני תוך עמידות מינימלית של אלקטרוליטים, יציבות מכנית מקסימלית ועמידות כימית להתפרקות בסביבה הפעילה מאוד מבחינה אלקטרוכימית.בנוסף, למפריד יש לעתים קרובות תכונת בטיחות, הנקראת "כיבוי תרמי";בטמפרטורות גבוהות, הוא נמס או סוגר את הנקבוביות שלו כדי לכבות את הובלת הליתיום-יון מבלי לאבד את היציבות המכנית שלו.מפרידים מסונתזים ביריעות ומורכבים עם האלקטרודות או מופקדים על אלקטרודה אחת באתר.מבחינת עלות, השיטה האחרונה היא השיטה העדיפה, אך היא מציבה עוד בעיות סינתזה, טיפול ובעיות מכניות.אלקטרוליטים במצב מוצק וכמה אלקטרוליטים פולימריים אינם זקוקים למפריד.