З яких матеріалів складається літій-іонний акумулятор?

Найсучасніші катодні матеріали включають оксиди металів літію [такі як LiCoO ₂ , LiMn ₂ О ₄ та Li(NixMnyCoz)O ₂ ], оксиди ванадію, олівіни (такі як LiFePO ₄ ) і перезаряджувані оксиди літію. ^11,12 Шаруваті оксиди, що містять кобальт і нікель, є найбільш вивченими матеріалами для літій-іонних батарей.Вони демонструють високу стабільність у діапазоні високої напруги, але кобальт обмежено доступний у природі та є токсичним, що є величезним недоліком для масового виробництва.Марганець пропонує недорогу заміну з високим тепловим порогом і відмінною швидкістю, але обмеженою циклічною поведінкою.Тому часто використовують суміші кобальту, нікелю та марганцю, щоб поєднати найкращі властивості та мінімізувати недоліки.Оксиди ванадію мають велику ємність і чудову кінетику.Однак через введення та вилучення літію матеріал має тенденцію ставати аморфним, що обмежує циклічну поведінку.Олівіни нетоксичні та мають помірну ємність із низьким вицвітанням через циклічність, але їхня провідність низька.Було введено методи покриття матеріалу, які компенсують погану провідність, але це додає деякі витрати на обробку батареї.

Анодні матеріали

Анодними матеріалами є літій, графіт, літієві сплави, інтерметаліди або кремній. ¹¹ Літій здається найбільш прямим матеріалом, але має проблеми з циклічною поведінкою та ростом дендритів, що створює короткі замикання.Вугільні аноди є найбільш використовуваним анодним матеріалом через їх низьку вартість і доступність.Проте теоретична ємність (372 мА·год/г) низька порівняно з щільністю заряду літію (3862 мА·год/г).Деякі зусилля з новими різновидами графіту та вуглецевими нанотрубками намагалися збільшити потужність, але прийшли ціною високих витрат на обробку.Аноди зі сплавів та інтерметалічні сполуки мають високу ємність, але також демонструють різку зміну об’єму, що призводить до поганої циклічної поведінки.Були докладені зусилля, щоб подолати зміну об’єму за допомогою використання нанокристалічних матеріалів і використання фази сплаву (з Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn та іншими) у нелегуючій стабілізаційній матриці (з Co, Cu, Fe або Ni).Кремній має надзвичайно високу ємність 4199 мАг/г, що відповідає складу Si ₅ Лі ₂₂ .Однак циклічна поведінка погана, а зменшення ємності ще не зрозуміло.

Електроліти

Для безпечної та довговічної батареї потрібен міцний електроліт, який витримує існуючу напругу та високі температури, має тривалий термін зберігання, забезпечуючи високу мобільність іонів літію.Типи включають рідкі, полімерні та твердотільні електроліти. ¹¹ Рідкі електроліти – це переважно органічні електроліти на основі розчинників, які містять LiBC ₄ О ₈ (LiBOB), LiPF ₆ , Li[PF ₃ (C ₂ Ф ₅ ) ₃ ] або подібне.Найважливішим фактором є їх займистість;найефективніші розчинники мають низьку температуру кипіння та температуру спалаху близько 30°C.Тому вентиляція або вибух елемента, а згодом і акумулятора становлять небезпеку.Розкладання електроліту та сильні екзотермічні побічні реакції в літій-іонних батареях можуть створити ефект, відомий як «теплова втеча».Таким чином, вибір електроліту часто передбачає компроміс між займистістю та електрохімічними характеристиками.

Сепаратори мають вбудовані механізми теплового відключення, а додаткові зовнішні складні системи термоконтролю додаються до модулів і батарейних блоків.Іонні рідини розглядаються через їх термічну стабільність, але мають серйозні недоліки, такі як розчинення літію поза анодом.

Полімерні електроліти є іонопровідними полімерами.Вони часто змішуються в композитах з керамічними наночастинками, що призводить до вищої провідності та стійкості до вищих напруг.Крім того, через їх високу в’язкість і квазітверду поведінку полімерні електроліти можуть перешкоджати зростанню літієвих дендритів ¹³ тому його можна використовувати з літієвими анодами.

Тверді електроліти — літій-іонні провідні кристали та керамічні скла.Вони демонструють дуже низьку продуктивність при низьких температурах, оскільки рухливість літію в твердій речовині значно знижується при низьких температурах.Крім того, тверді електроліти потребують спеціальних умов осадження та температурної обробки для досягнення прийнятної поведінки, що робить їх надзвичайно дорогими у використанні, хоча вони усувають потребу в сепараторах і ризик термічного витоку.

Роздільники

Хороший огляд матеріалів і потреб сепараторів надано P. Arora і Z. Zhang. ¹⁴ Як випливає з назви, сепаратор батареї фізично відокремлює два електроди один від одного, таким чином уникаючи короткого замикання.У випадку рідкого електроліту сепаратор являє собою спінений матеріал, який просякнутий електролітом і утримує його на місці.Він повинен бути електронним ізолятором, маючи при цьому мінімальний опір електроліту, максимальну механічну стабільність і хімічну стійкість до деградації у високоелектрохімічно активному середовищі.Крім того, сепаратор часто має функцію безпеки, яка називається «термічне відключення»;при підвищених температурах він плавиться або закриває свої пори, щоб припинити транспортування літій-іонів, не втрачаючи своєї механічної стабільності.Сепаратори або синтезуються в листах і збираються з електродами, або наносяться на один електрод на місці.З точки зору вартості, останній метод є кращим, але створює деякі інші проблеми синтезу, поводження та механічні проблеми.Твердотільні електроліти та деякі полімерні електроліти не потребують сепаратора.