Lityum-iyon Pillerin Malzeme Perspektifinden Sınıflandırılması

(Lityum-iyon Pillerin Malzeme Perspektifinden Sınıflandırılması)

Kurşun bazlı ve nikel bazlı pillere benzer şekilde, lityum iyonlar pozitif bir elektrot (katot), negatif bir elektrot (anot) ve bir iletken olarak bir elektrolit kullanır. Pozitif tel bir metal oksittir ve negatif elektrot gözenekli grafitten oluşur. Deşarj sırasında, lityum iyonlar elektrolit ve ayırıcı aracılığıyla negatif elektrottan pozitif elektrota hareket eder; şarj sırasında, lityum iyonlar pozitif elektrottan negatif elektrota zıt yönlerde akar.

 

Pil şarj ve deşarj olurken Li+ pozitif ve negatif elektrotlar arasında mekik dokur, deşarj sırasında anot oksitlenir, elektron kaybeder, katot ise indirgenerek parçacıklar elde edilir; şarj sırasında ise yük ters yönde hareket eder.

 

Elektrot malzemesine bağlı olarak birçok lityum iyon pil türü vardır. Ancak farklı malzemeler seçtiğinizde pil performansı büyük ölçüde değişecektir.

 

Pozitif elektrot malzemelerinin hepsi Li+ içerir. Yaygın lityum kobalt oksit (lityum kobalt oksit), lityum manganez oksit (spinel veya lityum manganat olarak da bilinir), lityum demir fosfat, nikel kobalt manganez üçlü malzeme (NMC) [3] ve lityum nikel kobalt Alüminyum oksit (NCA). Bu malzemelerin hepsinin teorik bir üst enerji sınırı vardır (lityum iyonun teorik kapasitesi yaklaşık 2000 kWh'dir, bu da ticari bir lityum iyon pilin özgül enerjisinin on katından fazladır).

 

Sony'nin orijinal lityum iyon pili, zararlı bir elektrot malzemesi olarak kok (bir kömür ürünü) kullanır. 1997'den beri, Sony de dahil olmak üzere çoğu lityum iyon pil üreticisi, anot malzemelerini grafite dönüştürdü ve bunun sonucunda düz bir deşarj eğrisi elde etti. Grafit, kalemlerde kullanılan bir karbon türüdür. Şarj sırasında lityum iyonlarını iyi bir şekilde depolayabilir ve uzun bir döngüye ve mükemmel bir stabiliteye sahiptir. Karbon malzemeler arasında grafit en yaygın olanıdır, bunu sert karbon ve yumuşak karbon takip eder. Karbon nanotüpler gibi diğer karbonlar henüz ticari kullanım alanı bulamamıştır. Aşağıdaki şekil, negatif elektrot olarak grafit kullanan modern bir lityum iyon pilin ve eski bir kok negatif elektrot kullanan bir lityum iyon pilin voltaj deşarj eğrilerini karşılaştırır.

 

Normal çalışma deşarj aralığında akünün eski koka göre daha iyi olan düz bir voltaj eğrisine sahip olması gerekir.

 

Anot malzemeleri de gelişmektedir ve araştırmacılar silikon bazlı alaşımlar da dahil olmak üzere sürekli olarak yeni malzemeler üzerinde deneyler yapmaktadır. Bu alaşımda, altı karbon atomu bir lityum iyonuna bağlanmıştır ve bir silikon atomu dört lityum iyonuna bağ yapabilir. Bu, negatif silikon elektrodun teorik olarak grafit malzemenin on katı enerji depolayabileceği anlamına gelir. Şu anda, silikon malzemeler yük potansiyelini ve çevrim ömrünü azaltma pahasına özgül kapasitede %20-%30 oranında artmıştır. Ancak sorun, şarj işlemi sırasında lityum iyonlarının silikon bazlı malzemeye gömüldükten sonra hacim olarak kolayca genişlemesidir (başlangıç ​​boyutunun dört katından fazlasına büyür).

 

Nanoyapılı lityum titanat tuzu, iyi çevrim ömrüne ve yük kapasitesine, mükemmel düşük sıcaklık performansına ve zararlı bir elektrot malzemesi olarak işlevsel güvenlik performansına sahiptir. Yine de, özgül işlevi düşüktür ve maliyeti yüksektir.

(Lityum-iyon Pillerin Malzeme Perspektifinden Sınıflandırılması)