Kateri materiali so v litij-ionski bateriji?

Najsodobnejši katodni materiali vključujejo litijeve kovinske okside [kot je LiCoO ₂ , LiMn ₂ O ₄ in Li(NixMnyCoz)O ₂ ], vanadijevi oksidi, olivini (kot je LiFePO ₄ ) in litijeve okside za ponovno polnjenje. ^11,12 Večplastni oksidi, ki vsebujejo kobalt in nikelj, so najbolj raziskani materiali za litij-ionske baterije.Kažejo visoko stabilnost v visokonapetostnem območju, vendar je kobalt v naravi omejen in je toksičen, kar je velika pomanjkljivost za množično proizvodnjo.Mangan ponuja poceni nadomestek z visokim toplotnim pragom in odličnimi zmogljivostmi hitrosti, vendar omejenim cikličnim obnašanjem.Zato se pogosto uporabljajo mešanice kobalta, niklja in mangana, da združijo najboljše lastnosti in zmanjšajo pomanjkljivosti.Vanadijevi oksidi imajo veliko kapaciteto in odlično kinetiko.Vendar pa zaradi vstavljanja in ekstrakcije litija material postane amorfen, kar omejuje ciklično obnašanje.Olivini niso strupeni in imajo zmerno kapaciteto z majhnim bledenjem zaradi kroženja, vendar je njihova prevodnost nizka.Uvedene so bile metode premazovanja materiala, ki nadomeščajo slabo prevodnost, vendar bateriji doda nekaj stroškov predelave.

Anodni materiali

Anodni materiali so litij, grafit, litijevi zlitini, intermetalni materiali ali silicij. ¹¹ Zdi se, da je litij najbolj preprost material, vendar kaže težave s kroženjem in rastjo dendritov, kar povzroča kratke stike.Anode iz ogljika so najbolj uporabljen anodni material zaradi nizke cene in razpoložljivosti.Vendar pa je teoretična zmogljivost (372 mAh/g) slaba v primerjavi z gostoto naboja litija (3862 mAh/g).Nekatera prizadevanja z novimi vrstami grafita in ogljikovimi nanocevkami so poskušala povečati zmogljivost, vendar so prišla s ceno visokih stroškov predelave.Anode iz zlitin in intermetalne spojine imajo visoko zmogljivost, vendar kažejo tudi dramatično spremembo volumna, kar ima za posledico slabo ciklično obnašanje.Prizadevali so si, da bi premagali spremembo prostornine z uporabo nanokristalnih materialov in z zlitinsko fazo (z Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn in drugimi) v nelegirani stabilizacijski matrici (s Co, Cu, Fe ali Ni).Silicij ima izjemno visoko kapaciteto 4.199 mAh/g, kar ustreza sestavi Si ₅ Li ₂₂ .Vendar je obnašanje pri kolesarjenju slabo in zmanjševanje zmogljivosti še ni razumljeno.

elektroliti

Varna in dolgotrajna baterija potrebuje robusten elektrolit, ki lahko prenese obstoječo napetost in visoke temperature ter ima dolgo življenjsko dobo, hkrati pa nudi visoko mobilnost za litijeve ione.Vrste vključujejo tekoče, polimerne in trdne elektrolite. ¹¹ Tekoči elektroliti so večinoma organski elektroliti na osnovi topil, ki vsebujejo LiBC ₄ O ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ F ₅ ) ₃ ] ali podobno.Najpomembnejši dejavnik je njihova vnetljivost;najučinkovitejša topila imajo nizka vrelišča in plamenišče okoli 30 °C.Zato predstavlja nevarnost odzračevanje ali eksplozija celice in posledično baterije.Razgradnja elektrolita in zelo eksotermne stranske reakcije v litij-ionskih baterijah lahko povzročijo učinek, znan kot "toplotni beg".Tako izbira elektrolita pogosto vključuje kompromis med vnetljivostjo in elektrokemično učinkovitostjo.

Separatorji imajo vgrajene mehanizme za termični izklop, modulom in baterijskim sklopom pa so dodani dodatni zunanji sofisticirani sistemi za upravljanje toplote.Ionske tekočine so v obravnavi zaradi njihove toplotne stabilnosti, vendar imajo velike pomanjkljivosti, kot je raztapljanje litija iz anode.

Polimerni elektroliti so ionsko prevodni polimeri.Pogosto so vmešani v kompozite s keramičnimi nanodelci, kar ima za posledico večjo prevodnost in odpornost na višje napetosti.Poleg tega lahko polimerni elektroliti zaradi svoje visoke viskoznosti in navideznega trdnega obnašanja zavirajo rast litijevih dendritov ¹³ in bi se zato lahko uporabljal z litijevimi anodami.

Trdni elektroliti so litij-ionski prevodni kristali in keramična stekla.Kažejo zelo slabo delovanje pri nizkih temperaturah, ker je mobilnost litija v trdni snovi pri nizkih temperaturah močno zmanjšana.Poleg tega potrebujejo trdni elektroliti posebne pogoje nanašanja in temperaturne obdelave, da dosežejo sprejemljivo obnašanje, zaradi česar so uporaba izjemno draga, čeprav odpravljajo potrebo po separatorjih in nevarnost toplotnega uhajanja.

Ločila

Dober pregled materialov in potreb separatorjev sta zagotovila P. Arora in Z. Zhang. ¹⁴ Kot že ime pove, ločilnik baterije dve elektrodi fizično loči eno od druge in se tako izogne ​​kratkemu stiku.V primeru tekočega elektrolita je separator penast material, ki je prepojen z elektrolitom in ga drži na mestu.Biti mora elektronski izolator, hkrati pa mora imeti minimalno odpornost proti elektrolitu, največjo mehansko stabilnost in kemično odpornost na degradacijo v visoko elektrokemično aktivnem okolju.Poleg tega ima separator pogosto varnostno funkcijo, imenovano "termični izklop";pri povišanih temperaturah se stopi ali zapre svoje pore, da prekine transport litij-ionov, ne da bi pri tem izgubil svojo mehansko stabilnost.Separatorji so bodisi sintetizirani v ploščah in sestavljeni z elektrodami bodisi odloženi na eno elektrodo in situ.Stroškovno je slednja boljša metoda, vendar predstavlja nekatere druge težave pri sintezi, rokovanju in mehanskih težavah.Elektroliti v trdnem stanju in nekateri polimerni elektroliti ne potrebujejo separatorja.