Klasifikacija litij-ionskih baterija iz perspektive materijala

(Klasifikacija litij-ionskih baterija iz perspektive materijala)

Slično baterijama na bazi olova i nikla, litij-ioni koriste pozitivnu elektrodu (katoda), negativnu elektrodu (anoda) i elektrolit kao vodič. Pozitivna žica je metalni oksid, a negativna elektroda se sastoji od poroznog grafita. Tijekom pražnjenja, litijevi ioni se kreću od negativne elektrode do pozitivne elektrode kroz elektrolit i separator; tijekom punjenja ioni litija teku od pozitivne elektrode prema negativnoj elektrodi u suprotnim smjerovima.

 

Kada se baterija puni i prazni, Li+ se kreće između pozitivne i negativne elektrode, tijekom pražnjenja anoda oksidira, gubi elektrone, a katoda se reducira da bi se dobile čestice; kod punjenja se naboj kreće u suprotnom smjeru.

 

Postoje mnoge vrste litij-ionskih baterija, ovisno o materijalu elektrode. Ali kada odaberete različite materijale, učinak baterije će se uvelike razlikovati.

 

Svi materijali pozitivne elektrode sadrže Li+. Uobičajeni litij kobalt oksid (litij kobalt oksid), litij mangan oksid (također poznat kao spinel ili litij manganat), litij željezo fosfat, nikal kobalt mangan ternarni materijal (NMC) [3] i litij nikal kobalt aluminijev oksid (NCA). Svi ovi materijali imaju teoretsku gornju granicu energije (litij-ion ima teorijski kapacitet od oko 2000 kWh, što je više od deset puta više od specifične energije komercijalne litij-ionske baterije).

 

Originalna litij-ionska baterija tvrtke Sony koristi koks (proizvod ugljena) kao štetan materijal za elektrode. Od 1997. većina proizvođača litij-ionskih baterija, uključujući Sony, pretvorili su anodne materijale u grafit, što je rezultiralo ravnom krivuljom pražnjenja. Grafit je oblik ugljika koji se koristi u olovkama. Može dobro pohraniti litijeve ione tijekom punjenja i ima dugi ciklus i izvrsnu stabilnost. Od ugljičnih materijala najčešći je grafit, zatim tvrdi ugljik i meki ugljik. Ostali ugljici, poput ugljikovih nanocijevi, još nisu pronašli svoju komercijalnu upotrebu. Donja slika uspoređuje krivulje pražnjenja napona moderne litij-ionske baterije s grafitnom negativnom elektrodom i litij-ionske baterije sa starom koks negativnom elektrodom.

 

U normalnom radnom području pražnjenja, baterija bi trebala imati ravnu krivulju napona, što je bolje od bivšeg koksa.

 

Anodni materijali također se razvijaju, a istraživači neprestano eksperimentiraju s novim materijalima, uključujući legure na bazi silicija. U ovoj leguri, šest atoma ugljika vezano je na jedan litij-ion, a jedan atom silicija može vezati četiri litijeva iona. To znači da negativna silicijska elektroda teoretski može pohraniti deset puta više energije od grafitnog materijala. Trenutno je specifični kapacitet silikonskih materijala povećan za 20%-30% po cijenu smanjenja potencijala opterećenja i životnog ciklusa. Međutim, problem je u tome što se tijekom procesa punjenja litijevi ioni lako povećavaju u volumenu nakon što su ugrađeni u materijal na bazi silicija (narastu više od četiri puta u odnosu na početnu veličinu).

 

Nanostrukturirana sol litijeva titanata ima dobar životni vijek i nosivost, izvrsne performanse pri niskim temperaturama i funkcionalnu sigurnost kao štetnog materijala elektrode. Ipak, njegova specifična funkcija je niska, a cijena visoka.

(Klasifikacija litij-ionskih baterija iz perspektive materijala)