Լիթիում-իոնային մարտկոցների դասակարգումը նյութերի տեսանկյունից

(Լիթիում-իոնային մարտկոցների դասակարգումը նյութերի տեսանկյունից)

Կապարի և նիկելի վրա հիմնված մարտկոցների նման, լիթիումի իոնները օգտագործում են դրական էլեկտրոդ (կաթոդ), բացասական էլեկտրոդ (անոդ) և էլեկտրոլիտ որպես հաղորդիչ։ Դրական մետաղալարը մետաղի օքսիդ է, իսկ բացասական էլեկտրոդը կազմված է ծակոտկեն գրաֆիտից։ Լիցքաթափման ժամանակ լիթիումի իոնները բացասական էլեկտրոդից դեպի դրական էլեկտրոդ շարժվում են էլեկտրոլիտի և բաժանարարի միջոցով; լիցքավորման ժամանակ լիթիումի իոնները դրական էլեկտրոդից հակառակ ուղղություններով հոսում են դեպի բացասական էլեկտրոդ։

 

Երբ մարտկոցը լիցքավորվում և լիցքաթափվում է, Li+-ը տեղափոխվում է դրական և բացասական էլեկտրոդների միջև, լիցքաթափման ժամանակ անոդը օքսիդանում է, կորցնում էլեկտրոնները, իսկ կաթոդը կրճատվում է մասնիկներ ստանալու համար. լիցքավորման ժամանակ լիցքը շարժվում է հակառակ ուղղությամբ։

 

Կան լիթիում-իոնային մարտկոցների բազմաթիվ տեսակներ՝ կախված էլեկտրոդի նյութից: Բայց երբ դուք ընտրում եք տարբեր նյութեր, մարտկոցի աշխատանքը մեծապես տարբերվում է:

 

Դրական էլեկտրոդների նյութերը բոլորը պարունակում են Li+: Սովորական լիթիումի կոբալտի օքսիդ (լիթիումի կոբալտի օքսիդ), լիթիումի մանգանի օքսիդ (նաև հայտնի է որպես սպինել կամ լիթիումի մանգանատ), լիթիումի երկաթի ֆոսֆատ, նիկել կոբալտ մանգան եռական նյութ (NMC) [3] և լիթիում նիկել կոբալտ ալյումինի օքսիդ (NCA): Այս բոլոր նյութերն ունեն տեսական էներգիայի վերին սահման (լիթիում-իոնն ունի մոտ 2000 կՎտ/ժ տեսական հզորություն, որն ավելի քան տասն անգամ գերազանցում է առևտրային լիթիում-իոնային մարտկոցի հատուկ էներգիան):

 

Sony-ի բնօրինակ լիթիում-իոնային մարտկոցը օգտագործում է կոքս (ածուխի արտադրանք) որպես վնասակար էլեկտրոդի նյութ: 1997 թվականից ի վեր լիթիում-իոնային մարտկոցների արտադրողների մեծ մասը, ներառյալ Sony-ն, անոդ նյութերը վերածել են գրաֆիտի, ինչի արդյունքում առաջացել է լիցքաթափման հարթ կոր: Գրաֆիտը ածխածնի մի ձև է, որն օգտագործվում է մատիտներում: Այն կարող է լավ պահել լիթիումի իոնները լիցքավորման ժամանակ և ունի երկար ցիկլ և գերազանց կայունություն։ Ածխածնային նյութերից առավել տարածված է գրաֆիտը, որին հաջորդում են կոշտ ածխածինը և փափուկ ածխածինը։ Այլ ածխածիններ, ինչպիսիք են ածխածնային նանոխողովակները, դեռ չեն գտել իրենց առևտրային օգտագործումը: Ստորև բերված նկարը համեմատում է ժամանակակից լիթիում-իոնային մարտկոցի լարման կորերը գրաֆիտի հետ որպես բացասական էլեկտրոդ և լիթիում-իոնային մարտկոցի հին կոքսային բացասական էլեկտրոդի հետ:

 

Նորմալ աշխատանքային լիցքաթափման միջակայքում մարտկոցը պետք է ունենա հարթ լարման կոր, որն ավելի լավ է, քան նախկին կոքսը:

 

Անոդային նյութերը նույնպես զարգանում են, և հետազոտողները շարունակ փորձեր են անում նոր նյութերի, այդ թվում՝ սիլիցիումի վրա հիմնված համաձուլվածքների հետ: Այս համաձուլվածքում ածխածնի վեց ատոմները կապված են մեկ լիթիում-իոնի հետ, իսկ սիլիցիումի մեկ ատոմը կարող է կապել չորս լիթիումի իոններ։ Սա նշանակում է, որ բացասական սիլիցիումային էլեկտրոդը տեսականորեն կարող է կուտակել գրաֆիտի նյութի տասնապատիկ էներգիան: Ներկայումս սիլիցիումային նյութերը հատուկ հզորությամբ ավելացել են 20%-30%-ով` բեռի ներուժի և ցիկլի ժամկետի կրճատման գնով: Այնուամենայնիվ, խնդիրն այն է, որ լիցքավորման գործընթացում լիթիումի իոնները հեշտությամբ ընդլայնվում են ծավալով այն բանից հետո, երբ ներկառուցված են սիլիցիումի վրա հիմնված նյութի մեջ (աճելով ավելի քան չորս անգամ, քան նախնական չափը):

 

Նանոկառուցվածքով լիթիումի տիտանատ աղն ունի լավ ցիկլի կյանք և ծանրաբեռնվածության հզորություն, ցածր ջերմաստիճանի գերազանց կատարողականություն և ֆունկցիոնալ անվտանգություն՝ որպես վնասակար էլեկտրոդի նյութ: Այնուամենայնիվ, դրա հատուկ գործառույթը ցածր է, իսկ արժեքը բարձր է:

(Լիթիում-իոնային մարտկոցների դասակարգումը նյութերի տեսանկյունից)