Kokios medžiagos yra ličio jonų akumuliatoriuje?

Šiuolaikinės katodinės medžiagos apima ličio metalo oksidus [pvz., LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ ir Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadžio oksidai, olivinai (pvz., LiFePO ₄ ) ir įkraunamus ličio oksidus. ^11,12 Sluoksniuoti oksidai, kurių sudėtyje yra kobalto ir nikelio, yra labiausiai ištirtos ličio jonų baterijų medžiagos.Jie pasižymi dideliu stabilumu aukštos įtampos diapazone, tačiau kobalto prieinamumas gamtoje yra ribotas ir yra toksiškas, o tai yra didžiulis trūkumas masinei gamybai.Manganas siūlo nebrangų pakaitalą, aukštą šiluminę slenkstį ir puikias greičio galimybes, tačiau ribotą važiavimo dviračiu elgesį.Todėl kobalto, nikelio ir mangano mišiniai dažnai naudojami siekiant suderinti geriausias savybes ir sumažinti trūkumus.Vanadžio oksidai turi didelę talpą ir puikią kinetiką.Tačiau dėl ličio įterpimo ir ištraukimo medžiaga linkusi tapti amorfiška, o tai riboja važiavimo dviračiu elgesį.Olivinai yra netoksiški ir vidutinio stiprumo, mažai blunka dėl važiavimo dviračiu, tačiau jų laidumas yra mažas.Buvo įdiegti medžiagos dengimo metodai, kurie kompensuoja prastą laidumą, tačiau tai padidina akumuliatoriaus apdorojimo išlaidas.

Anodo medžiagos

Anodo medžiagos yra litis, grafitas, ličio legiruojančios medžiagos, intermetalinės medžiagos arba silicis. ¹¹ Atrodo, kad litis yra pati paprasčiausia medžiaga, tačiau turi problemų dėl važiavimo dviračiu ir dendrito augimo, dėl kurio susidaro trumpieji jungimai.Anglies anodai yra labiausiai naudojama anodinė medžiaga dėl mažos kainos ir prieinamumo.Tačiau teorinė talpa (372 mAh/g) yra prasta, palyginti su ličio krūvio tankiu (3 862 mAh/g).Kai kurios pastangos su naujomis grafito atmainomis ir anglies nanovamzdeliais bandė padidinti pajėgumą, tačiau dėl to kainavo didelės perdirbimo išlaidos.Lydinių anodai ir intermetaliniai junginiai turi didelę talpą, tačiau taip pat pasižymi dideliu tūrio pokyčiu, todėl blogai važiuojant dviračiu.Tūrio pokytį buvo stengiamasi įveikti naudojant nanokristalines medžiagas ir lydinio fazę (su Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn ir kt.) nelegiruotoje stabilizavimo matricoje (su Co, Cu, Fe arba Ni).Silicis turi ypač didelę 4 199 mAh/g talpą, atitinkančią Si sudėtį ₅ Li ₂₂ .Tačiau važiavimo dviračiu elgesys yra prastas, o pajėgumų silpnėjimas dar nesuprantamas.

Elektrolitai

Saugiam ir ilgaamžiui akumuliatoriui reikalingas tvirtas elektrolitas, kuris atlaikytų esamą įtampą ir aukštą temperatūrą, ilgai tarnaus, o ličio jonams būtų labai mobilus.Tipai yra skysti, polimeriniai ir kietojo kūno elektrolitai. ¹¹ Skysti elektrolitai dažniausiai yra organiniai, tirpiklių pagrindu pagaminti elektrolitai, kurių sudėtyje yra LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] arba panašiai.Svarbiausias dalykas yra jų degumas;geriausiai veikiančių tirpiklių virimo temperatūra yra žema, o pliūpsnio temperatūra yra apie 30 °C.Todėl elemento ir vėliau akumuliatoriaus išleidimas arba sprogimas kelia pavojų.Elektrolitų skilimas ir labai egzoterminės šalutinės ličio jonų baterijų reakcijos gali sukelti efektą, vadinamą „šiluminiu bėgimu“.Taigi elektrolito parinkimas dažnai apima kompromisą tarp degumo ir elektrocheminių savybių.

Separatoriuose yra įmontuoti šiluminio išjungimo mechanizmai, o prie modulių ir baterijų blokų pridedamos papildomos išorinės sudėtingos šilumos valdymo sistemos.Joniniai skysčiai svarstomi dėl jų terminio stabilumo, tačiau turi didelių trūkumų, pavyzdžiui, ličio tirpimas iš anodo.

Polimeriniai elektrolitai yra joniškai laidūs polimerai.Jie dažnai maišomi kompozituose su keraminėmis nanodalelėmis, todėl padidėja laidumas ir atsparumas aukštesnei įtampai.Be to, dėl didelio klampumo ir beveik kieto elgsenos polimeriniai elektrolitai gali slopinti ličio dendritų augimą. ¹³ todėl gali būti naudojamas su ličio metalo anodais.

Kietieji elektrolitai yra ličio jonų laidūs kristalai ir keraminiai stiklai.Jie pasižymi labai prastu veikimu žemoje temperatūroje, nes ličio mobilumas kietoje medžiagoje labai sumažėja esant žemai temperatūrai.Be to, kietiems elektrolitams reikia specialių nusodinimo sąlygų ir temperatūros apdorojimo, kad būtų pasiektas priimtinas elgesys, todėl jų naudojimas yra labai brangus, nors jie pašalina separatorių poreikį ir terminio nutekėjimo riziką.

Separatoriai

Gerą separatoriaus medžiagų ir poreikių apžvalgą pateikia P. Arora ir Z. Zhang. ¹⁴ Kaip rodo jo pavadinimas, akumuliatoriaus separatorius fiziškai atskiria du elektrodus vienas nuo kito, taip išvengiant trumpojo jungimo.Skysto elektrolito atveju separatorius yra putplasčio medžiaga, kuri yra įmirkyta elektrolitu ir laiko jį vietoje.Jis turi būti elektroninis izoliatorius, turintis minimalų atsparumą elektrolitams, maksimalų mechaninį stabilumą ir cheminį atsparumą degradacijai labai elektrochemiškai aktyvioje aplinkoje.Be to, separatorius dažnai turi saugos funkciją, vadinamą „terminiu išjungimu“;esant aukštesnei temperatūrai, jis ištirpsta arba uždaro savo poras, kad sustabdytų ličio jonų transportavimą neprarandant mechaninio stabilumo.Atskyrikliai yra sintetinami lakštais ir surenkami su elektrodais arba ant vieno elektrodo nusodinami vietoje.Kalbant apie išlaidas, pastarasis metodas yra tinkamiausias, tačiau kelia kitų sintezės, tvarkymo ir mechaninių problemų.Kietojo kūno elektrolitams ir kai kuriems polimeriniams elektrolitams separatoriaus nereikia.