Klasyfikacja baterii litowo-jonowych z perspektywy materiałów

(Klasyfikacja baterii litowo-jonowych z punktu widzenia materiałów)

Podobnie jak w przypadku baterii ołowiowych i niklowych, jony litu wykorzystują elektrodę dodatnią (katodę), elektrodę ujemną (anodę) i elektrolit jako przewodnik. Przewód dodatni jest tlenkiem metalu, a elektroda ujemna składa się z porowatego grafitu. Podczas rozładowywania jony litu przemieszczają się z elektrody ujemnej do elektrody dodatniej przez elektrolit i separator; podczas ładowania jony litu przepływają z elektrody dodatniej do elektrody ujemnej w przeciwnych kierunkach.

 

Podczas ładowania i rozładowywania akumulatora ładunek Li+ przemieszcza się pomiędzy elektrodami dodatnimi i ujemnymi. Podczas rozładowywania anoda utlenia się, traci elektrony, a katoda ulega redukcji, tworząc cząsteczki. Podczas ładowania ładunek przemieszcza się w przeciwnym kierunku.

 

Istnieje wiele rodzajów baterii litowo-jonowych, w zależności od materiału elektrody. Ale gdy wybierzesz różne materiały, wydajność baterii będzie się znacznie różnić.

 

Wszystkie materiały elektrod dodatnich zawierają Li+. Powszechny tlenek litowo-kobaltowy (tlenek litowo-kobaltowy), tlenek litowo-manganowy (znany również jako spinele lub manganian litu), fosforan litowo-żelazowy, materiał trójskładnikowy niklowo-kobaltowo-manganowy (NMC) [3] i tlenek litowo-niklowo-kobaltowo-glinowy (NCA). Wszystkie te materiały mają teoretyczną górną granicę energii (litowo-jonowy ma teoretyczną pojemność około 2000 kWh, co stanowi ponad dziesięciokrotność energii właściwej komercyjnego akumulatora litowo-jonowego).

 

Oryginalna bateria litowo-jonowa firmy Sony wykorzystuje koks (produkt węglowy) jako szkodliwy materiał elektrodowy. Od 1997 r. większość producentów baterii litowo-jonowych, w tym Sony, przekształciła materiały anodowe w grafit, co spowodowało płaską krzywą rozładowania. Grafit jest formą węgla stosowaną w ołówkach. Może dobrze magazynować jony litu podczas ładowania i ma długi cykl oraz doskonałą stabilność. Spośród materiałów węglowych najpowszechniejszy jest grafit, a następnie węgiel twardy i węgiel miękki. Inne rodzaje węgla, takie jak nanorurki węglowe, nie znalazły jeszcze zastosowania komercyjnego. Poniższy rysunek porównuje krzywe rozładowania napięcia nowoczesnej baterii litowo-jonowej z grafitem jako elektrodą ujemną i baterii litowo-jonowej ze starą elektrodą ujemną z koksu.

 

W normalnym zakresie rozładowania akumulator powinien mieć płaską krzywą napięcia, co jest lepsze niż w przypadku poprzedniego akumulatora koksowego.

 

Materiały anodowe również ewoluują, a naukowcy nieustannie eksperymentują z nowymi materiałami, w tym stopami na bazie krzemu. W tym stopie sześć atomów węgla jest połączonych z jednym jonem litu, a jeden atom krzemu może wiązać cztery jony litu. Oznacza to, że ujemna elektroda krzemowa może teoretycznie przechowywać dziesięciokrotnie więcej energii niż materiał grafitowy. Obecnie materiały krzemowe zwiększyły się o 20%-30% pod względem pojemności właściwej kosztem zmniejszenia potencjału obciążenia i żywotności cyklu. Problem polega jednak na tym, że podczas procesu ładowania jony litu łatwo zwiększają swoją objętość po osadzeniu w materiale na bazie krzemu (rosnąc do ponad czterokrotnie większego rozmiaru niż początkowy).

 

Nanostrukturyzowana sól tytanianu litu ma dobrą żywotność cyklu i ładowność, doskonałe parametry w niskich temperaturach i funkcjonalne parametry bezpieczeństwa jako szkodliwy materiał elektrodowy. Mimo to jej konkretna funkcja jest niska, a koszt wysoki.

(Klasyfikacja baterii litowo-jonowych z punktu widzenia materiałów)