Quali sono i materiali specifici utilizzati nei sistemi di batterie agli ioni di litio?

Il sistema dei materiali delle batterie agli ioni di litio è complesso e va dal nucleo elettrochimico ai componenti strutturali. Può essere classificato come segue:

I. Materiali catodici

I materiali catodici sono la fonte degli ioni di litio nella batteria e le loro prestazioni determinano direttamente la densità energetica, il costo e la sicurezza della batteria. In base alla struttura cristallina si possono dividere principalmente nelle seguenti tre categorie:

1.1 Ossidi stratificati:Questi materiali hanno tipicamente un'elevata densità di energia ma una stabilità relativamente debole.

1.1.1 L'ossido di litio cobalto, NCM/NCA e i materiali a base di manganese ricchi di litio appartengono tutti a strutture di ossido stratificato;

1.1.2 Ossido di litio cobalto (LCO, LiCoO₂): questo è il materiale dominante nell'elettronica di consumo, vanta una piattaforma ad alta tensione e un'elevata densità di prese, ma è costoso e le sue prestazioni di sicurezza devono essere migliorate.

1.1.3 Ossido di litio nichel manganese cobalto (NCM): con eccellenti prestazioni complessive, è attualmente la scelta principale per le batterie di alimentazione. Regolando il rapporto tra nichel, cobalto e manganese (come i comuni NCM811 e NCM622), è possibile raggiungere un equilibrio tra densità energetica, costo e durata.

1.1.4 Ossido di alluminio litio nichel cobalto (NCA, LiNiCoAlO₂): elevata densità di energia e stabilità termica relativamente buona; comunemente usato in alcune batterie cilindriche.

1.1.5 A base di manganese ricco di litio (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂): considerato un materiale candidato per catodi ad alta densità di energia di prossima generazione, in possesso di capacità specifica ultraelevata; tuttavia, il decadimento della tensione e le scarse prestazioni di velocità rappresentano sfide per la sua commercializzazione.

1.2 Struttura dell'olivina:Rappresentato dal fosfato di litio ferro (LFP, LiFePO₄), la sua struttura stabile garantisce sicurezza estremamente elevata e durata del ciclo ultra lunga, con costi relativamente bassi, rendendolo ampiamente utilizzato nei veicoli elettrici e nelle centrali elettriche di accumulo di energia dove i requisiti di sicurezza sono estremamente elevati. Il suo derivato, il litio manganese ferro fosfato (LMFP), tenta di migliorare la densità energetica mantenendo la sicurezza.

1.3 Struttura dello spinello:Si riferisce principalmente all'ossido di litio e manganese (LMO, LiMn₂O₄), caratterizzato da basso costo e buona sicurezza, ma con prestazioni del ciclo ad alta temperatura e densità di energia generalmente scarse, spesso utilizzato in combinazione con altri materiali. La comunità accademica sta esplorando attivamente sistemi con una maggiore densità di energia, come i catodi di zolfo e i catodi organici, ma tutti devono affrontare sfide fondamentali come il ciclo di vita.

II. Materiali anodici

I materiali anodici sono i supporti per lo stoccaggio degli ioni di litio e le loro prestazioni influiscono direttamente sulla capacità di ricarica rapida e sulla durata del ciclo della batteria.

2.1 Materiali a base di carbonio:Attualmente detiene una posizione dominante.

2.1.1 Grafite: diventata mainstream grazie alla sua eccellente stabilità del ciclo e ai vantaggi in termini di costi, è divisa in grafite naturale e grafite artificiale.

2.1.2 Anche le microsfere di carbonio mesofase (MCMB) sono un prodotto di grafite di fascia alta.

2.1.3 Carbonio disordinato: include carbonio duro e carbonio tenero, tra cui il carbonio duro, grazie alla sua struttura porosa unica, è considerato un materiale potenziale per batterie agli ioni di sodio e anodi a carica rapida agli ioni di litio.

2.1.4 Nanotubi di carbonio (CNT)/grafene: generalmente non utilizzato come anodo principale, ma piuttosto come additivo conduttivo per migliorare la conduttività dell'elettrodo e le prestazioni di velocità.

2.2 Materiali a base di silicio:Ampiamente riconosciuti come materiali anodici di nuova generazione. La loro capacità specifica teorica raggiunge i 4200 mAh/g, più di 10 volte quella della grafite. Tuttavia, l’enorme espansione dei volumi (oltre il 300%) porta a un ciclo di vita ridotto, una sfida fondamentale per la commercializzazione. I compositi silicio-carbonio (Si-C) e silicio-ossigeno (Si-O) rappresentano attualmente la soluzione principale.

2.3 Titanato di litio (LTO, Li₄Ti₅O₁₂):Rinomato per le sue eccellenti prestazioni in termini di velocità, la durata del ciclo ultra lungo e praticamente nessuna formazione di dendriti di litio, con conseguente sicurezza estremamente elevata. Gli svantaggi sono la bassa densità energetica e i costi elevati, che ne limitano l’uso ad applicazioni speciali con elevati requisiti di potenza.

2.4 Litio metallico:Essendo il “Santo Graal” dei materiali anodici, vanta teoricamente la più alta capacità specifica ed è fondamentale per ottenere batterie ad alta densità di energia (come le batterie al litio-zolfo e allo stato solido). Tuttavia, la crescita incontrollabile dei dendriti di litio rappresenta un serio pericolo per la sicurezza. Altri materiali all'avanguardia, come materiali a base di stagno, nitruri di metalli di transizione e vari materiali in lega, sebbene ancora in fase di sviluppo, offrono numerose possibilità per future scoperte tecnologiche.

III. Elettrolita

L'elettrolita è l'"autostrada" per il trasporto degli ioni di litio tra gli elettrodi positivo e negativo, determinando la conduttività ionica della batteria, l'intervallo di temperatura operativa, ecc.

3.1 Elettrolita liquido (elettrolita):La più utilizzata nelle batterie al litio commerciali, è considerata il "sangue" della batteria ed è composta principalmente da tre parti.

Sale di litio: fornisce ioni di litio ed è il componente principale. Il litio esafluorofosfato (LiPF₆) è il sale di litio più utilizzato grazie alle sue eccellenti prestazioni complessive. Altri, come LiBF₄ e LiFSI, vengono spesso utilizzati come additivi per migliorare specifiche caratteristiche prestazionali.

Solvente organico: utilizzato per sciogliere i sali di litio. I carbonati ciclici ad alta costante dielettrica (come EC e PC) e i carbonati a catena a bassa viscosità (come DMC, DEC ed EMC) vengono generalmente utilizzati in combinazione per ottimizzare le prestazioni.

Additivi funzionali: vengono utilizzati in piccole quantità ma svolgono un ruolo cruciale, come gli additivi filmogeni (VC e FEC), gli additivi ritardanti di fiamma e gli additivi di protezione da sovraccarico, per migliorare la sicurezza della batteria e la durata del ciclo.

3.2 Elettrolita a stato solido:Il nucleo di tutte le batterie allo stato solido, teoricamente in grado di risolvere completamente problemi di sicurezza come perdite e combustione. È principalmente diviso in tre sistemi: polimero, ossido e solfuro, ma tutti attualmente affrontano sfide di bassa conduttività ionica e alta impedenza interfacciale.

IV. Separatore

Il separatore è una pellicola isolante porosa situata tra gli elettrodi positivo e negativo. La sua funzione è quella di impedire il contatto diretto e il cortocircuito tra i due elettrodi consentendo il passaggio degli ioni di litio. Attualmente, la corrente principale è la membrana microporosa in poliolefina, comprese le membrane composite a tre strati in polietilene (PE), polipropilene (PP) e PP/PE/PP. Per migliorare la sicurezza e le prestazioni, la pellicola di base viene spesso modificata mediante rivestimento, ad esempio con materiali ceramici (ad esempio, allumina, boehmite, per una migliore resistenza al calore) o polimeri (ad esempio, PVDF, aramide, per una migliore adesione).

V. Componenti ausiliari e strutturali

Sebbene questi materiali non partecipino direttamente alle reazioni elettrochimiche, sono fondamentali per la lavorazione degli elettrodi e le prestazioni complessive della batteria.

5.1 Collettore di corrente: utilizzato per trasportare il materiale attivo e raccogliere e condurre corrente. Per l’elettrodo positivo viene generalmente utilizzato un foglio di alluminio, mentre per l’elettrodo negativo viene utilizzato un foglio di rame. I collettori di corrente compositi (ad esempio, film compositi polimero-metallo) rappresentano una nuova direzione per migliorare la sicurezza.

5.2 Agente conduttivo: aggiunto agli impasti degli elettrodi positivi e negativi per costruire una rete conduttiva tra le particelle di materiale attivo, migliorando la conduttività elettronica degli elettrodi. I materiali comunemente utilizzati includono nerofumo (ad esempio, Super P, nero acetilene, nero Ketjen), grafite conduttiva e nanotubi di carbonio (CNT).

5.3 Legante: aderisce saldamente il materiale attivo e l'agente conduttivo al collettore di corrente. L'impasto per elettrodi positivi utilizza comunemente PVDF (che richiede il solvente organico NMP), mentre l'impasto per elettrodi negativi utilizza tipicamente leganti a base d'acqua, come una combinazione di SBR e CMC.

5.4 Involucro e componenti strutturali: Fornire supporto meccanico e protezione sigillante.

Involucro:I tipi comuni includono involucro in alluminio, involucro in acciaio e pellicola in alluminio-plastica (per batterie a sacchetto).

Schede/Connettori:Tipicamente strisce di alluminio (elettrodo positivo) e strisce di nichel/strisce di nichel placcato rame (elettrodo negativo).

Componenti di sicurezza e isolamento:Include cappucci, fogli isolanti, valvole antideflagranti, terminali PTC (coefficiente di temperatura positivo), ecc., per garantire la sicurezza della batteria in condizioni anomale.