Klassifisering av litium-ion-batterier fra materialers perspektiv

(Klassifisering av litiumionbatterier fra materialers perspektiv)

I likhet med blybaserte og nikkelbaserte batterier bruker litiumioner en positiv elektrode (katode), en negativ elektrode (anode) og en elektrolytt som leder. Den positive ledningen er et metalloksid, og den negative elektroden er sammensatt av porøs grafitt. Under utladning beveger litiumioner seg fra den negative elektroden til den positive elektroden gjennom elektrolytten og separatoren; under lading strømmer litiumioner fra den positive elektroden til den negative elektroden i motsatte retninger.

 

Når batteriet lades og utlades, pendler Li+ mellom de positive og negative elektrodene, under utlading oksiderer anoden, mister elektroner, og katoden reduseres for å oppnå partikler; ved lading beveger ladningen seg i motsatt retning.

 

Det finnes mange typer litium-ion-batterier, avhengig av elektrodematerialet. Men når du velger forskjellige materialer, vil batteriytelsen variere veldig.

 

De positive elektrodematerialene inneholder alle Li+. Vanlig litiumkoboltoksid (litiumkoboltoksid), litiummanganoksid (også kjent som spinell eller litiummanganat), litiumjernfosfat, nikkelkobolt mangan ternært materiale (NMC) [3] og litiumnikkelkobolt Aluminiumoksid (NCA). Alle disse materialene har en teoretisk øvre energigrense (litium-ion har en teoretisk kapasitet på ca. 2000 kWh, som er mer enn ti ganger den spesifikke energien til et kommersielt litium-ion-batteri).

 

Sonys originale litiumionbatteri bruker koks (et kullprodukt) som et skadelig elektrodemateriale. Siden 1997 har de fleste produsenter av litiumionbatterier, inkludert Sony, konvertert anodematerialer til grafitt, noe som har resultert i en flat utladningskurve. Grafitt er en form for karbon som brukes i blyanter. Den kan lagre litiumioner godt under lading og har en lang syklus og utmerket stabilitet. Av karbonmaterialene er grafitt det vanligste, etterfulgt av hardt karbon og mykt karbon. Andre karboner, som karbon-nanorør, har ennå ikke funnet sin kommersielle bruk. Figuren nedenfor sammenligner spenningsutladningskurvene til et moderne litiumionbatteri med grafitt som negativ elektrode og et litiumionbatteri med en gammel koksnegativ elektrode.

 

I det normale driftsutladningsområdet bør batteriet ha en flat spenningskurve, som er bedre enn den tidligere koksen.

 

Anodematerialer utvikler seg også, og forskere eksperimenterer kontinuerlig med nye materialer, inkludert silisiumbaserte legeringer. I denne legeringen er seks karbonatomer bundet til ett litiumion, og ett silisiumatom kan binde fire litiumioner. Dette betyr at den negative silisiumelektroden teoretisk kan lagre ti ganger energien til grafittmaterialet. For tiden har silisiummaterialer økt med 20%-30% i spesifikk kapasitet på bekostning av å redusere belastningspotensialet og sykluslevetiden. Problemet er imidlertid at under ladeprosessen utvides litiumioner lett i volum etter å ha blitt innebygd i det silisiumbaserte materialet (vokser til mer enn fire ganger den opprinnelige størrelsen).

 

Det nanostrukturerte litiumtitanatsaltet har god sykluslevetid og lastekapasitet, utmerket lavtemperaturytelse og funksjonell sikkerhetsytelse som et skadelig elektrodemateriale. Likevel er dens spesifikke funksjon lav, og kostnadene er høye.

(Klassifisering av litiumionbatterier fra materialers perspektiv)