Liitiumioonakude klassifikatsioon materjalide vaatenurgast

(Liitiumioonakude klassifikatsioon materjalide vaatenurgast)

Sarnaselt plii- ja niklipõhistele akudele kasutavad liitiumioonid juhina positiivset elektroodi (katoodi), negatiivset elektroodi (anood) ja elektrolüüti. Positiivne traat on metallioksiid ja negatiivne elektrood koosneb poorsest grafiidist. Tühjenemise ajal liiguvad liitiumioonid negatiivselt elektroodilt positiivsele elektroodile läbi elektrolüüdi ja separaatori; laadimise ajal voolavad liitiumioonid positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile vastassuundades.

 

Aku laadimisel ja tühjenemisel liigub Li+ positiivse ja negatiivse elektroodi vahel, tühjenemise ajal anood oksüdeerub, kaotab elektronid ja katood redutseeritakse osakeste saamiseks; laadimisel liigub laeng vastupidises suunas.

 

Sõltuvalt elektroodi materjalist on liitiumioonakusid mitut tüüpi. Kuid kui valite erinevaid materjale, on aku jõudlus väga erinev.

 

Kõik positiivsete elektroodide materjalid sisaldavad Li+. Tavaline liitiumkoobaltoksiid (liitiumkoobaltoksiid), liitiummangaanoksiid (tuntud ka kui spinell või liitiummanganaat), liitiumraudfosfaat, nikkelkoobaltmangaani kolmekomponentne materjal (NMC) [3] ja liitium-nikkelkoobalt-alumiiniumoksiid (NCA). Kõigil neil materjalidel on teoreetiline energia ülempiir (liitiumiooni teoreetiline võimsus on umbes 2000 kWh, mis on enam kui kümme korda suurem kui kaubandusliku liitiumioonaku erienergia).

 

Sony originaal liitiumioonaku kasutab kahjuliku elektroodi materjalina koksi (söetoode). Alates 1997. aastast on enamik liitiumioonakude tootjaid, sealhulgas Sony, muutnud anoodimaterjalid grafiidiks, mille tulemuseks on lame tühjenduskõver. Grafiit on süsiniku vorm, mida kasutatakse pliiatsites. See suudab laadimise ajal liitiumioone hästi säilitada ning sellel on pikk tsükkel ja suurepärane stabiilsus. Süsinikmaterjalidest on levinuim grafiit, järgnevad kõva süsinik ja pehme süsinik. Teised süsinikud, nagu süsiniknanotorud, ei ole veel leidnud oma kaubanduslikku kasutust. Alloleval joonisel võrreldakse kaasaegse liitiumioonaku pingelahenduse kõveraid, mille negatiivne elektrood on grafiit, ja liitiumioonaku vana koksi negatiivse elektroodiga.

 

Normaalse töö tühjenemise vahemikus peaks akul olema lame pingekõver, mis on parem kui endine koks.

 

Samuti arenevad anoodmaterjalid ja teadlased katsetavad pidevalt uute materjalidega, sealhulgas ränipõhiste sulamitega. Selles sulamis on kuus süsinikuaatomit seotud ühe liitiumiooniga ja üks räni aatom võib siduda nelja liitiumiooniga. See tähendab, et negatiivne ränielektrood suudab teoreetiliselt salvestada kümme korda rohkem kui grafiitmaterjali energiat. Praegu on ränimaterjalide erivõimsus suurenenud 20–30% koormuse potentsiaali ja tsükli eluea vähendamise hinnaga. Probleem seisneb aga selles, et laadimisprotsessi käigus suureneb liitiumioonide maht kergesti pärast ränipõhisesse materjali sisestamist (kasvades rohkem kui neli korda esialgsest suurusest).

 

Nanostruktureeritud liitiumtitanaatsoolal on hea tsükli eluiga ja kandevõime, suurepärane jõudlus madalal temperatuuril ja funktsionaalne ohutus, kuna see on kahjulik elektroodimaterjal. Siiski on selle spetsiifiline funktsioon madal ja hind on kõrge.

(Liitiumioonakude klassifikatsioon materjalide vaatenurgast)