Apa bahan khusus yang digunakan dalam sistem baterai lithium-ion?

Sistem bahan baterai lithium-ion adalah kompleks, mulai dari inti elektrokimia hingga komponen struktural.

I. Bahan Katode

Bahan katode adalah sumber ion lithium dalam baterai, dan kinerja mereka secara langsung menentukan kepadatan energi baterai, biaya, dan keamanan.Mereka dapat dibagi menjadi tiga kategori berikut::

1.1 Oksida berlapis:Bahan-bahan ini biasanya memiliki kepadatan energi yang tinggi tetapi stabilitas yang relatif lemah.

1.1.1 Lithium cobalt oxide, NCM/NCA, dan bahan berbasis mangan yang kaya lithium semuanya termasuk struktur oksida berlapis;

1.1.2 Lithium cobalt oxide (LCO, LiCoO2): Ini adalah bahan dominan dalam elektronik konsumen, menawarkan platform tegangan tinggi dan kepadatan keran yang tinggi,tapi itu mahal dan kinerja keamanannya perlu ditingkatkan.

1.1.3 Litium nikel mangan kobalt oksida (NCM): Dengan kinerja keseluruhan yang sangat baik, saat ini merupakan pilihan utama untuk baterai tenaga.dan mangan (seperti NCM811 umum dan NCM622), keseimbangan dapat dicapai antara kepadatan energi, biaya, dan umur.

1.1.4 Lithium Nickel Cobalt Aluminium Oxide (NCA, LiNiCoAlO2): kepadatan energi yang tinggi dan stabilitas termal yang relatif baik; umum digunakan dalam beberapa baterai silinder.

1.1.5 Berbasis Lithium-Rich Manganese (xLi2MnO3·(1-x) LiMO2): Dianggap sebagai bahan kandidat untuk generasi berikutnya katode dengan kepadatan energi tinggi, memiliki kapasitas spesifik yang sangat tinggi; namun,Keruntuhan tegangan dan kinerja tingkat yang buruk adalah tantangan untuk komersialisasi.

1.2 Struktur olivin:Diwakili oleh lithium iron phosphate (LFP, LiFePO4), strukturnya yang stabil menghasilkan keamanan yang sangat tinggi dan umur siklus yang sangat panjang, dengan biaya yang relatif rendah,membuatnya banyak digunakan di kendaraan listrik dan pembangkit listrik penyimpanan energi di mana persyaratan keselamatan sangat tinggiTurunannya, lithium manganese iron phosphate (LMFP), mencoba meningkatkan kepadatan energi sambil menjaga keamanan.

1.3 Struktur Spinel:Terutama mengacu pada lithium manganese oxide (LMO, LiMn2O4), yang ditandai dengan biaya rendah dan keamanan yang baik, tetapi umumnya dengan kinerja siklus suhu tinggi yang buruk dan kepadatan energi,sering digunakan dalam kombinasi dengan bahan lainKomunitas akademis secara aktif mengeksplorasi sistem dengan kepadatan energi yang lebih tinggi, seperti katode sulfur dan katode organik, tetapi semua menghadapi tantangan inti seperti siklus hidup.

II. Bahan Anode

Bahan anoda adalah pembawa penyimpanan lithium-ion, dan kinerjanya secara langsung mempengaruhi kemampuan pengisian cepat baterai dan umur siklus.

2.1 Bahan berbasis karbon:Saat ini memegang posisi dominan.

2.1.1 Grafit: Menjadi arus utama karena stabilitas siklus yang sangat baik dan keuntungan biaya, itu dibagi menjadi grafit alami dan grafit buatan.

2.1.2 Mesophase Carbon Microspheres (MCMB) juga merupakan produk grafit kelas atas.

2.1.3 Karbon yang tidak teratur: Termasuk karbon keras dan karbon lunak, di antaranya karbon keras, karena strukturnya yang unik berlubang,dianggap sebagai bahan potensial untuk baterai natrium-ion dan anode pengisian cepat lithium-ion.

2.1.4 Karbon Nanotube (CNT) / Graphene: Biasanya tidak digunakan sebagai anoda utama, tetapi sebagai aditif konduktif untuk meningkatkan konduktivitas elektroda dan kinerja laju.

2.2 Bahan berbasis silikon:Secara luas diakui sebagai bahan anode generasi berikutnya. Kapasitas spesifik teorinya mencapai 4200 mAh / g, lebih dari 10 kali dari grafit.ekspansi volume yang sangat besar (lebih dari 300%) menyebabkan umur siklus yang burukKomposit silikon-karbon (Si-C) dan silikon-oksigen (Si-O) saat ini merupakan solusi utama.

2.3 Litium titanate (LTO, Li4Ti5O12):Terkenal dengan kinerja kecepatan yang sangat baik dan umur siklus yang sangat panjang, dan hampir tidak ada pembentukan lithium dendrite, menghasilkan keamanan yang sangat tinggi.Kelemahannya adalah kepadatan energi rendah dan biaya tinggi, membatasi penggunaannya untuk aplikasi khusus dengan kebutuhan daya tinggi.

2.4 Litium Metal:Sebagai "Grail Suci" dari bahan anode,secara teoritis memiliki kapasitas spesifik tertinggi dan sangat penting untuk mencapai baterai dengan kepadatan energi tinggi (seperti baterai lithium-sulfur dan solid-state)Namun, pertumbuhan lithium dendrite yang tidak terkendali menimbulkan bahaya keamanan yang serius. bahan canggih lainnya, seperti bahan berbasis timah, nitrid logam transisi, dan berbagai bahan paduan,sementara masih dalam pengembangan, menawarkan banyak kemungkinan untuk terobosan teknologi di masa depan.

III. Elektrolit

Elektrolit adalah "jalan raya" untuk transportasi ion lithium antara elektroda positif dan negatif, menentukan konduktivitas ion baterai, kisaran suhu operasi, dll.

3.1 Elektrolit cair (elektrolit):Yang paling banyak digunakan dalam baterai lithium komersial, ia disambut sebagai "darah" baterai dan terutama terdiri dari tiga bagian.

Garam litium: menyediakan ion lithium dan merupakan komponen inti. Litium hexafluorophosphate (LiPF6) adalah garam lithium yang paling banyak digunakan karena kinerjanya yang sangat baik.seperti LiBF4 dan LiFSI, sering digunakan sebagai aditif untuk meningkatkan karakteristik kinerja tertentu.

Pelarut organik: Digunakan untuk melarutkan garam lithium. karbonat siklik tinggi dielektrik konstan (seperti EC dan PC) dan karbonat rantai viskositas rendah (seperti DMC, DEC,dan EMC) biasanya digunakan dalam kombinasi untuk mengoptimalkan kinerja.

Aditif fungsional: Ini digunakan dalam jumlah kecil tetapi memainkan peran penting, seperti aditif pembentuk film (VC dan FEC), aditif tahan api, dan aditif perlindungan overcharge,untuk meningkatkan keamanan baterai dan umur siklus.

3.2 Elektrolit keadaan padat:Inti dari semua solid-state baterai, secara teoritis mampu sepenuhnya memecahkan masalah keamanan seperti kebocoran dan pembakaran.tapi semua saat ini menghadapi tantangan konduktivitas ion rendah dan impedansi antarmuka yang tinggi.

IV. Pemisah

Separator adalah film isolasi berpori yang terletak di antara elektroda positif dan negatif.Fungsinya adalah untuk mencegah kontak langsung dan sirkuit pendek antara dua elektroda sementara memungkinkan ion lithium untuk melewatiSaat ini arus utama adalah membran mikro poliolefin, termasuk polietilena (PE), polipropilena (PP), dan membran komposit tiga lapisan PP/PE/PP. Untuk meningkatkan keamanan dan kinerja,film dasar sering dimodifikasi dengan lapisan, seperti dengan bahan keramik (misalnya, alumina, boehmite, untuk peningkatan ketahanan panas) atau polimer (misalnya, PVDF, aramida, untuk peningkatan adhesi).

V. Komponen Bantuan dan Struktural

Meskipun bahan-bahan ini tidak berpartisipasi secara langsung dalam reaksi elektrokimia, mereka sangat penting untuk pengolahan elektroda dan kinerja baterai secara keseluruhan.

5.1 Kolektor arus: Digunakan untuk membawa bahan aktif dan mengumpulkan dan melakukan arus. Foil aluminium biasanya digunakan untuk elektroda positif,sementara foil tembaga digunakan untuk elektroda negatifKomposisi kolektor arus (misalnya, film komposit polimer-logam) merupakan arah baru untuk meningkatkan keselamatan.

5.2 Agen konduktif: Ditambahkan ke bubur elektroda positif dan negatif untuk membangun jaringan konduktif antara partikel bahan aktif, meningkatkan konduktivitas elektronik elektroda.Bahan yang biasa digunakan termasuk hitam karbon (e.g., Super P, acetilena hitam, Ketjen hitam), grafit konduktif, dan karbon nanotube (CNT).

5.3 Pengikat: Mengikat bahan aktif dan agen konduktif dengan aman ke kolektor arus. bubur elektroda positif biasanya menggunakan PVDF (membutuhkan pelarut organik NMP),sementara bubur elektroda negatif biasanya menggunakan pengikat berbasis air, seperti kombinasi SBR dan CMC.

5.4 Casing dan Komponen Struktural: Menyediakan dukungan mekanis dan perlindungan penyegelan.

Casing:Jenis yang umum termasuk casing aluminium, casing baja, dan film aluminium-plastik (untuk baterai kantong).

Tab / Konektor:Biasanya strip aluminium (elektrod positif) dan strip nikel / strip nikel berlapis tembaga (elektrod negatif).

Komponen keamanan dan isolasi:Termasuk tutup, lembaran isolasi, katup tahan ledakan, koefisien suhu positif (PTC) terminal, dll, untuk memastikan keamanan baterai dalam kondisi abnormal.