Clasificarea bateriilor litiu-ion din perspectiva materialelor

(Clasificarea bateriilor litiu-ion din perspectiva materialelor)

Similar cu bateriile pe bază de plumb și nichel, ionii de litiu folosesc un electrod pozitiv (catod), un electrod negativ (anod) și un electrolit ca conductor. Firul pozitiv este un oxid de metal, iar electrodul negativ este compus din grafit poros. În timpul descărcării, ionii de litiu se deplasează de la electrodul negativ la electrodul pozitiv prin electrolit și separator; în timpul încărcării, ionii de litiu curg de la electrodul pozitiv la cel negativ în direcții opuse.

 

Când bateria este încărcată și descărcată, Li+ se deplasează între electrozii pozitivi și negativi, în timpul descărcării, anodul se oxidează, pierde electroni, iar catodul se reduce pentru a obține particule; la încărcare, încărcarea se mișcă în direcția opusă.

 

Există multe tipuri de baterii litiu-ion, în funcție de materialul electrodului. Dar atunci când alegeți materiale diferite, performanța bateriei va varia foarte mult.

 

Materialele electrozilor pozitivi conțin toate Li+. Oxid comun de litiu cobalt (oxid de litiu cobalt), oxid de litiu mangan (cunoscut și sub denumirea de spinel sau manganat de litiu), fosfat de fier litiu, material ternar de nichel cobalt mangan (NMC) [3] și oxid de litiu nichel cobalt aluminiu (NCA). Toate aceste materiale au o limită de energie superioară teoretică (litiu-ion are o capacitate teoretică de aproximativ 2000 kWh, care este de peste zece ori energia specifică a unei baterii comerciale litiu-ion).

 

Bateria originală litiu-ion de la Sony folosește cocs (un produs din cărbune) ca material dăunător pentru electrozi. Din 1997, majoritatea producătorilor de baterii litiu-ion, inclusiv Sony, au transformat materialele anodului în grafit, rezultând o curbă de descărcare plată. Grafitul este o formă de carbon care este folosită în creioane. Poate stoca bine ionii de litiu în timpul încărcării și are un ciclu lung și o stabilitate excelentă. Dintre materialele de carbon, grafitul este cel mai comun, urmat de carbonul dur și carbonul moale. Alți carboni, cum ar fi nanotuburile de carbon, nu și-au găsit încă utilizarea comercială. Figura de mai jos compară curbele de descărcare a tensiunii unei baterii moderne litiu-ion cu grafit ca electrod negativ și a unei baterii litiu-ion cu un vechi electrod negativ de cocs.

 

În intervalul normal de descărcare de funcționare, bateria ar trebui să aibă o curbă de tensiune plată, care este mai bună decât fostul cocs.

 

Materialele anodice evoluează, de asemenea, iar cercetătorii experimentează continuu cu noi materiale, inclusiv aliaje pe bază de siliciu. În acest aliaj, șase atomi de carbon sunt legați de un ion de litiu, iar un atom de siliciu poate lega patru ioni de litiu. Aceasta înseamnă că electrodul negativ de siliciu poate stoca teoretic de zece ori energia materialului de grafit. În prezent, materialele din siliciu au crescut cu 20%-30% în capacitatea specifică cu prețul reducerii potențialului de încărcare și a duratei de viață. Cu toate acestea, problema este că în timpul procesului de încărcare, ionii de litiu se extind cu ușurință în volum după ce au fost încorporați în materialul pe bază de siliciu (crescând la mai mult de patru ori dimensiunea inițială).

 

Sarea de titanat de litiu nanostructurată are o durată bună de viață și o capacitate de încărcare bună, performanță excelentă la temperatură scăzută și performanță funcțională de siguranță ca material dăunător al electrodului. Cu toate acestea, funcția sa specifică este scăzută, iar costul este ridicat.

(Clasificarea bateriilor litiu-ion din perspectiva materialelor)