Classificazione delle batterie agli ioni di litio dal punto di vista dei materiali

(Classificazione delle batterie agli ioni di litio dal punto di vista dei materiali)

Similmente alle batterie al piombo e al nichel, gli ioni di litio utilizzano un elettrodo positivo (catodo), un elettrodo negativo (anodo) e un elettrolita come conduttore. Il filo positivo è un ossido di metallo e l'elettrodo negativo è composto da grafite porosa. Durante la scarica, gli ioni di litio si spostano dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita e il separatore; durante la carica, gli ioni di litio fluiscono dall'elettrodo positivo all'elettrodo negativo in direzioni opposte.

 

Quando la batteria viene caricata e scaricata, Li+ si sposta tra gli elettrodi positivo e negativo; durante la scarica, l'anodo si ossida, perde elettroni e il catodo si riduce per ottenere particelle; durante la carica, la carica si muove nella direzione opposta.

 

Esistono molti tipi di batterie agli ioni di litio, a seconda del materiale dell'elettrodo. Ma quando si scelgono materiali diversi, le prestazioni della batteria varieranno notevolmente.

 

I materiali dell'elettrodo positivo contengono tutti Li+. Ossido di cobalto di litio comune (ossido di cobalto di litio), ossido di manganese di litio (noto anche come spinello o manganato di litio), fosfato di ferro e litio, materiale ternario di nichel cobalto manganese (NMC) [3] e ossido di alluminio di nichel cobalto di litio (NCA). Tutti questi materiali hanno un limite energetico superiore teorico (gli ioni di litio hanno una capacità teorica di circa 2000 kWh, che è più di dieci volte l'energia specifica di una batteria agli ioni di litio commerciale).

 

La batteria agli ioni di litio originale di Sony utilizza il coke (un prodotto del carbone) come materiale elettrodico nocivo. Dal 1997, la maggior parte dei produttori di batterie agli ioni di litio, tra cui Sony, ha convertito i materiali anodici in grafite, ottenendo una curva di scarica piatta. La grafite è una forma di carbonio utilizzata nelle matite. Può immagazzinare bene gli ioni di litio durante la carica e ha un ciclo lungo e un'eccellente stabilità. Tra i materiali in carbonio, la grafite è il più comune, seguito dal carbonio duro e dal carbonio morbido. Altri carboni, come i nanotubi di carbonio, non hanno ancora trovato il loro uso commerciale. La figura seguente confronta le curve di scarica di tensione di una moderna batteria agli ioni di litio con grafite come elettrodo negativo e una batteria agli ioni di litio con un vecchio elettrodo negativo in coke.

 

Nel normale intervallo di scarica operativo, la batteria dovrebbe avere una curva di tensione piatta, migliore rispetto alla precedente.

 

Anche i materiali degli anodi si stanno evolvendo e i ricercatori stanno sperimentando continuamente nuovi materiali, tra cui le leghe a base di silicio. In questa lega, sei atomi di carbonio sono legati a uno ione di litio e un atomo di silicio può legare quattro ioni di litio. Ciò significa che l'elettrodo di silicio negativo può teoricamente immagazzinare dieci volte l'energia del materiale di grafite. Attualmente, i materiali di silicio sono aumentati del 20%-30% in capacità specifica a costo di ridurre il potenziale di carico e la durata del ciclo. Tuttavia, il problema è che durante il processo di carica, gli ioni di litio si espandono facilmente in volume dopo essere stati incorporati nel materiale a base di silicio (crescendo fino a più di quattro volte la dimensione iniziale).

 

Il sale di titanato di litio nanostrutturato ha una buona durata del ciclo e capacità di carico, eccellenti prestazioni a bassa temperatura e prestazioni di sicurezza funzionale come materiale elettrodico dannoso. Tuttavia, la sua funzione specifica è bassa e il costo è elevato.

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