Ce materiale sunt într-o baterie litiu-ion?

Materialele catodice de ultimă generație includ oxizi de litiu-metal [cum ar fi LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ și Li(NixMnyCoz)O ₂ ], oxizi de vanadiu, olivine (cum ar fi LiFePO ₄ ), și oxizi de litiu reîncărcabil. ^11,12 Oxizii stratificati care contin cobalt si nichel sunt cele mai studiate materiale pentru bateriile litiu-ion.Ele arată o stabilitate ridicată în domeniul de înaltă tensiune, dar cobaltul are o disponibilitate limitată în natură și este toxic, ceea ce este un dezavantaj extraordinar pentru producția de masă.Manganul oferă o înlocuire cu costuri reduse, cu un prag termic ridicat și capacități excelente de viteză, dar un comportament de ciclism limitat.Prin urmare, amestecurile de cobalt, nichel și mangan sunt adesea folosite pentru a combina cele mai bune proprietăți și pentru a minimiza dezavantajele.Oxizii de vanadiu au o capacitate mare și o cinetică excelentă.Cu toate acestea, datorită inserției și extracției litiului, materialul tinde să devină amorf, ceea ce limitează comportamentul ciclic.Olivinele sunt netoxice și au o capacitate moderată cu decolorare scăzută din cauza ciclării, dar conductivitatea lor este scăzută.Au fost introduse metode de acoperire a materialului care compensează conductivitatea slabă, dar adaugă unele costuri de procesare bateriei.

Materiale anodice

Materialele anodice sunt litiu, grafit, materiale de aliaj de litiu, intermetalice sau siliciu. ¹¹ Litiul pare a fi cel mai simplu material, dar prezintă probleme cu comportamentul ciclic și creșterea dendritică, care creează scurtcircuite.Anozii carbonați sunt cel mai utilizat material anodic datorită costului redus și disponibilității lor.Cu toate acestea, capacitatea teoretică (372 mAh/g) este slabă în comparație cu densitatea de încărcare a litiului (3.862 mAh/g).Unele eforturi cu soiuri noi de grafit și nanotuburi de carbon au încercat să mărească capacitatea, dar au venit cu prețul costurilor ridicate de procesare.Anozii din aliaje și compușii intermetalici au capacități mari, dar prezintă și o schimbare dramatică a volumului, ceea ce duce la un comportament slab la ciclu.S-au făcut eforturi pentru a depăși modificarea de volum prin utilizarea materialelor nanocristaline și prin a avea faza de aliaj (cu Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn și altele) într-o matrice de stabilizare nealiantă (cu Co, Cu, Fe sau Ni).Siliciul are o capacitate extrem de mare de 4.199 mAh/g, corespunzând unei compoziții de Si ₅ Li ₂₂ .Cu toate acestea, comportamentul de ciclism este slab, iar scăderea capacității nu este încă înțeleasă.

Electroliții

O baterie sigură și de lungă durată are nevoie de un electrolit robust care poate rezista la tensiunea existentă și la temperaturi ridicate și care are o durată de viață lungă, oferind în același timp o mobilitate ridicată pentru ionii de litiu.Tipurile includ electroliți lichidi, polimeri și în stare solidă. ¹¹ Electroliții lichizi sunt în mare parte electroliți organici, pe bază de solvenți, care conțin LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ], sau asemănător.Cel mai important aspect este inflamabilitatea lor;solvenții cu cele mai bune performanțe au puncte de fierbere scăzute și au puncte de aprindere în jur de 30°C.Prin urmare, aerisirea sau explozia celulei și, ulterior, a bateriei reprezintă un pericol.Descompunerea electroliților și reacțiile secundare extrem de exoterme din bateriile cu ioni de litiu pot crea un efect cunoscut sub numele de „fuga termică”.Astfel, selecția unui electrolit implică adesea un compromis între inflamabilitate și performanța electrochimică.

Separatoarele au mecanisme de oprire termică încorporate, iar modulelor și pachetelor de baterii sunt adăugate sisteme externe sofisticate de management termic.Lichidele ionice sunt luate în considerare datorită stabilității lor termice, dar au dezavantaje majore, cum ar fi dizolvarea litiului din anod.

Electroliții polimeri sunt polimeri conductivi ionic.Ele sunt adesea amestecate în compozite cu nanoparticule ceramice, rezultând conductivități mai mari și rezistență la tensiuni mai mari.În plus, datorită vâscozității lor ridicate și comportamentului cvasi-solid, electroliții polimerici ar putea inhiba creșterea dendritelor de litiu. ¹³ și, prin urmare, ar putea fi utilizat cu anozi de litiu metalic.

Electroliții solizi sunt cristale conductoare de litiu-ion și pahare ceramice.Ele prezintă o performanță foarte slabă la temperatură scăzută, deoarece mobilitatea litiului în solid este mult redusă la temperaturi scăzute.În plus, electroliții solizi au nevoie de condiții speciale de depunere și tratamente de temperatură pentru a obține un comportament acceptabil, ceea ce îi face extrem de scumpi în utilizare, deși elimină nevoia de separatoare și riscul de evadare termică.

Separatoare

O bună trecere în revistă a materialelor și nevoilor separatorului este oferită de P. Arora și Z. Zhang. ¹⁴ După cum sugerează și numele, separatorul bateriei separă fizic cei doi electrozi unul de celălalt, evitând astfel un scurtcircuit.În cazul unui electrolit lichid, separatorul este un material de spumă care este îmbibat cu electrolit și îl menține pe loc.Trebuie să fie un izolator electronic, având în același timp rezistență minimă la electroliți, stabilitate mecanică maximă și rezistență chimică la degradare în mediul extrem de activ electrochimic.În plus, separatorul are adesea o caracteristică de siguranță, numită „oprire termică”;la temperaturi ridicate, se topește sau își închide porii pentru a opri transportul litiu-ion fără a-și pierde stabilitatea mecanică.Separatoarele sunt fie sintetizate în foi și asamblate cu electrozii, fie depuse pe un electrod in situ.Din punct de vedere al costurilor, aceasta din urmă este metoda preferată, dar prezintă alte probleme de sinteză, manipulare și mecanice.Electroliții în stare solidă și unii electroliți polimerici nu au nevoie de separator.