Ταξινόμηση των μπαταριών ιόντων λιθίου από την άποψη των υλικών

(Ταξινόμηση των μπαταριών ιόντων λιθίου από την άποψη των υλικών)

Παρόμοια με τις μπαταρίες με βάση το μόλυβδο και το νικέλιο, τα ιόντα λιθίου χρησιμοποιούν ένα θετικό ηλεκτρόδιο (κάθοδος), ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδος) και έναν ηλεκτρολύτη ως αγωγό. Το θετικό σύρμα είναι ένα οξείδιο μετάλλου και το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από πορώδη γραφίτη. Κατά την εκφόρτιση, τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από το αρνητικό ηλεκτρόδιο στο θετικό ηλεκτρόδιο μέσω του ηλεκτρολύτη και του διαχωριστή. κατά τη διάρκεια της φόρτισης, τα ιόντα λιθίου ρέουν από το θετικό ηλεκτρόδιο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο σε αντίθετες κατευθύνσεις.

 

Όταν η μπαταρία φορτίζεται και εκφορτίζεται, το Li+ μεταφέρεται μεταξύ του θετικού και του αρνητικού ηλεκτροδίου, κατά την εκφόρτιση, η άνοδος οξειδώνεται, χάνει ηλεκτρόνια και η κάθοδος μειώνεται για να ληφθούν σωματίδια. κατά τη φόρτιση, η φόρτιση κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

 

Υπάρχουν πολλοί τύποι μπαταριών ιόντων λιθίου, ανάλογα με το υλικό του ηλεκτροδίου. Αλλά όταν επιλέγετε διαφορετικά υλικά, η απόδοση της μπαταρίας θα ποικίλλει πολύ.

 

Τα υλικά των θετικών ηλεκτροδίων περιέχουν όλα Li+. Κοινό οξείδιο κοβαλτίου λιθίου (οξείδιο κοβαλτίου λιθίου), οξείδιο του μαγγανίου λιθίου (γνωστό επίσης ως σπινέλιο ή μαγγανικό λίθιο), φωσφορικό σίδηρο λιθίου, τριμερές υλικό νικελίου κοβαλτίου μαγγανίου (NMC) [3] και οξείδιο αργιλίου νικελίου νικελίου λιθίου (NCA). Όλα αυτά τα υλικά έχουν ένα θεωρητικό ανώτερο όριο ενέργειας (το ιόν λιθίου έχει θεωρητική χωρητικότητα περίπου 2000 kWh, που είναι περισσότερο από δέκα φορές την ειδική ενέργεια μιας εμπορικής μπαταρίας ιόντων λιθίου).

 

Η αρχική μπαταρία ιόντων λιθίου της Sony χρησιμοποιεί οπτάνθρακα (ένα προϊόν άνθρακα) ως επιβλαβές υλικό ηλεκτροδίων. Από το 1997, οι περισσότεροι κατασκευαστές μπαταριών ιόντων λιθίου, συμπεριλαμβανομένης της Sony, έχουν μετατρέψει υλικά ανόδου σε γραφίτη, με αποτέλεσμα μια επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης. Ο γραφίτης είναι μια μορφή άνθρακα που χρησιμοποιείται σε μολύβια. Μπορεί να αποθηκεύσει καλά ιόντα λιθίου κατά τη φόρτιση και έχει μακρύ κύκλο και εξαιρετική σταθερότητα. Από τα υλικά άνθρακα, ο γραφίτης είναι ο πιο κοινός, ακολουθούμενος από τον σκληρό άνθρακα και τον μαλακό άνθρακα. Άλλοι άνθρακες, όπως οι νανοσωλήνες άνθρακα, δεν έχουν ακόμη βρει την εμπορική τους χρήση. Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει τις καμπύλες εκφόρτισης τάσης μιας σύγχρονης μπαταρίας ιόντων λιθίου με αρνητικό ηλεκτρόδιο γραφίτη και μπαταρίας ιόντων λιθίου με ένα παλιό αρνητικό ηλεκτρόδιο οπτάνθρακα.

 

Στην κανονική περιοχή εκφόρτισης λειτουργίας, η μπαταρία πρέπει να έχει μια επίπεδη καμπύλη τάσης, η οποία είναι καλύτερη από την προηγούμενη οπτάνθρακα.

 

Τα υλικά ανόδου εξελίσσονται επίσης και οι ερευνητές πειραματίζονται συνεχώς με νέα υλικά, συμπεριλαμβανομένων των κραμάτων με βάση το πυρίτιο. Σε αυτό το κράμα, έξι άτομα άνθρακα συνδέονται με ένα ιόν λιθίου και ένα άτομο πυριτίου μπορεί να συνδέσει τέσσερα ιόντα λιθίου. Αυτό σημαίνει ότι το αρνητικό ηλεκτρόδιο πυριτίου μπορεί θεωρητικά να αποθηκεύσει δεκαπλάσια ενέργεια από το υλικό γραφίτη. Επί του παρόντος, τα υλικά πυριτίου έχουν αυξηθεί κατά 20%-30% σε ειδική χωρητικότητα με κόστος μείωσης του δυναμικού φορτίου και της διάρκειας του κύκλου. Ωστόσο, το πρόβλημα είναι ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, τα ιόντα λιθίου διαστέλλονται εύκολα σε όγκο αφού ενσωματωθούν στο υλικό με βάση το πυρίτιο (αυξάνονται σε περισσότερο από τέσσερις φορές το αρχικό μέγεθος).

 

Το νανοδομημένο άλας τιτανικού λιθίου έχει καλή διάρκεια ζωής και ικανότητα φόρτωσης, εξαιρετική απόδοση σε χαμηλή θερμοκρασία και λειτουργική απόδοση ασφάλειας ως επιβλαβές υλικό ηλεκτροδίων. Ωστόσο, η συγκεκριμένη λειτουργία του είναι χαμηλή και το κόστος είναι υψηλό.

(Ταξινόμηση των μπαταριών ιόντων λιθίου από την άποψη των υλικών)