Razvrstitev litij-ionskih baterij z vidika materialov

(Razvrstitev litij-ionskih baterij z vidika materialov)

Podobno kot baterije na osnovi svinca in niklja tudi litijeve ione uporabljajo pozitivno elektrodo (katodo), negativno elektrodo (anodo) in elektrolit kot prevodnik. Pozitivna žica je kovinski oksid, negativna elektroda pa je sestavljena iz poroznega grafita. Med praznjenjem se litijevi ioni premikajo od negativne elektrode do pozitivne elektrode skozi elektrolit in separator; med polnjenjem litijevi ioni tečejo od pozitivne elektrode do negativne elektrode v nasprotnih smereh.

 

Ko se baterija polni in prazni, se Li+ premika med pozitivno in negativno elektrodo, med praznjenjem anoda oksidira, izgublja elektrone, katoda pa se reducira, da dobi delce; med polnjenjem se naboj premika v nasprotni smeri.

 

Obstaja veliko vrst litij-ionskih baterij, odvisno od materiala elektrod. Če pa izberete različne materiale, se bo zmogljivost baterije zelo razlikovala.

 

Vsi materiali pozitivnih elektrod vsebujejo Li+. Običajni litijev kobaltov oksid (litijev kobaltov oksid), litijev manganov oksid (znan tudi kot spinel ali litijev manganat), litijev železov fosfat, nikelj kobalt manganov ternarni material (NMC) [3] in litijev nikelj kobalt aluminijev oksid (NCA). Vsi ti materiali imajo teoretično zgornjo energijsko mejo (litijev ion ima teoretično kapaciteto približno 2000 kWh, kar je več kot desetkrat večja specifična energija komercialne litij-ionske baterije).

 

Sonyjeva originalna litij-ionska baterija uporablja koks (premogov produkt) kot škodljiv elektrodni material. Od leta 1997 večina proizvajalcev litij-ionskih baterij, vključno s Sonyjem, anodne materiale pretvarja v grafit, kar ima za posledico ravno krivuljo praznjenja. Grafit je oblika ogljika, ki se uporablja v svinčnikih. Med polnjenjem lahko dobro shranjuje litijeve ione, ima dolg cikel in odlično stabilnost. Med ogljikovimi materiali je grafit najpogostejši, sledita mu trdi in mehki ogljik. Drugi ogljiki, kot so ogljikove nanocevke, še niso našli svoje komercialne uporabe. Spodnja slika primerja krivulje napetosti praznjenja sodobne litij-ionske baterije z grafitom kot negativno elektrodo in litij-ionske baterije s staro koksno negativno elektrodo.

 

V normalnem območju praznjenja mora imeti baterija ravno krivuljo napetosti, kar je bolje kot pri prejšnji koksu.

 

Tudi anodni materiali se razvijajo in raziskovalci nenehno eksperimentirajo z novimi materiali, vključno z zlitinami na osnovi silicija. V tej zlitini je šest atomov ogljika vezanih na en litijev ion, en atom silicija pa lahko veže štiri litijeve ione. To pomeni, da lahko negativna silicijeva elektroda teoretično shrani desetkrat več energije kot grafitni material. Trenutno se je specifična kapaciteta silicijevih materialov povečala za 20–30 % na račun zmanjšanja potencialne obremenitve in življenjske dobe cikla. Vendar je težava v tem, da se med postopkom polnjenja litijevi ioni po vgradnji v material na osnovi silicija zlahka povečajo v volumnu (zrastejo do več kot štirikratne začetne velikosti).

 

Nanostrukturirana litijeva titanata sol ima dobro življenjsko dobo in nosilnost, odlično delovanje pri nizkih temperaturah in funkcionalno varnost kot škodljiv elektrodni material. Kljub temu je njena specifična funkcija nizka, stroški pa visoki.

(Razvrstitev litij-ionskih baterij z vidika materialov)