مواد خاصی که در سیستم های باتری لیتیوم یون استفاده می شوند چیست؟

سیستم مواد باتری لیتیوم-یون پیچیده است و از هسته الکتروشیمیایی تا اجزای ساختاری را شامل می‌شود. می‌توان آن را به شرح زیر دسته‌بندی کرد:

I. مواد کاتد

مواد کاتد منبع یون‌های لیتیوم در باتری هستند و عملکرد آن‌ها مستقیماً چگالی انرژی، هزینه و ایمنی باتری را تعیین می‌کند. بر اساس ساختار کریستالی، آن‌ها عمدتاً به سه دسته زیر تقسیم می‌شوند:

1.1 اکسیدهای لایه‌ای: این مواد معمولاً چگالی انرژی بالایی دارند اما پایداری نسبتاً ضعیفی دارند.

1.1.1 اکسید کبالت لیتیوم، NCM/NCA و مواد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم همگی متعلق به ساختارهای اکسید لایه‌ای هستند؛

1.1.2 اکسید کبالت لیتیوم (LCO، LiCoO₂): این ماده غالب در لوازم الکترونیکی مصرفی است که دارای پلتفرم ولتاژ بالا و چگالی ضربه‌ای بالا است، اما گران است و عملکرد ایمنی آن نیاز به بهبود دارد.

1.1.3 اکسید نیکل منگنز کبالت لیتیوم (NCM): با عملکرد کلی عالی، در حال حاضر انتخاب اصلی برای باتری‌های قدرت است. با تنظیم نسبت نیکل، کبالت و منگنز (مانند NCM811 و NCM622 رایج)، می‌توان تعادلی بین چگالی انرژی، هزینه و طول عمر ایجاد کرد.

1.1.4 اکسید نیکل کبالت آلومینیوم لیتیوم (NCA، LiNiCoAlO₂): چگالی انرژی بالا و پایداری حرارتی نسبتاً خوب؛ معمولاً در برخی باتری‌های استوانه‌ای استفاده می‌شود.

1.1.5 مواد مبتنی بر منگنز غنی از لیتیوم (xLi₂MnO₃·(1-x)LiMO₂): به عنوان یک ماده کاندید برای کاتدهای نسل بعدی با چگالی انرژی بالا در نظر گرفته می‌شود که ظرفیت ویژه فوق‌العاده بالایی دارد؛ با این حال، افت ولتاژ و عملکرد نرخ ضعیف چالش‌هایی برای تجاری‌سازی آن هستند.

1.2 ساختار اولیوین: با لیتیوم آهن فسفات (LFP، LiFePO₄) نشان داده می‌شود، ساختار پایدار آن منجر به ایمنی بسیار بالا و طول عمر چرخه‌ای فوق‌العاده طولانی می‌شود، با هزینه نسبتاً پایین، که آن را در خودروهای الکتریکی و ایستگاه‌های برق ذخیره انرژی که الزامات ایمنی بسیار بالایی دارند، به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌دهد. مشتق آن، لیتیوم منگنز آهن فسفات (LMFP)، تلاش می‌کند تا چگالی انرژی را ضمن حفظ ایمنی بهبود بخشد.

1.3 ساختار اسپینل: عمدتاً به اکسید منگنز لیتیوم (LMO، LiMn₂O₄) اشاره دارد که با هزینه کم و ایمنی خوب مشخص می‌شود، اما به طور کلی عملکرد چرخه‌ای دمای بالا و چگالی انرژی ضعیفی دارد و اغلب در ترکیب با سایر مواد استفاده می‌شود. جامعه دانشگاهی به طور فعال در حال بررسی سیستم‌هایی با چگالی انرژی بالاتر مانند کاتدهای گوگرد و کاتدهای آلی است، اما همه با چالش‌های اصلی مانند طول عمر چرخه‌ای روبرو هستند.

II. مواد آند

مواد آند حامل‌های ذخیره یون لیتیوم هستند و عملکرد آن‌ها مستقیماً بر قابلیت شارژ سریع و طول عمر چرخه‌ای باتری تأثیر می‌گذارد.

2.1 مواد مبتنی بر کربن: در حال حاضر موقعیت غالب را دارد.

2.1.1 گرافیت: به دلیل پایداری چرخه‌ای عالی و مزایای هزینه، در حال تبدیل شدن به جریان اصلی است و به گرافیت طبیعی و گرافیت مصنوعی تقسیم می‌شود.

2.1.2 میکروسفر کربن مزوفاز (MCMB) نیز یک محصول گرافیت سطح بالا است.

2.1.3 کربن نامنظم: شامل کربن سخت و کربن نرم است، که در میان آن‌ها کربن سخت، به دلیل ساختار متخلخل منحصر به فرد خود، به عنوان یک ماده بالقوه برای باتری‌های سدیم-یون و آندهای شارژ سریع لیتیوم-یون در نظر گرفته می‌شود.

2.1.4 نانولوله‌های کربنی (CNTs) / گرافن: معمولاً به عنوان آند اصلی استفاده نمی‌شوند، بلکه به عنوان یک افزودنی رسانا برای بهبود رسانایی و عملکرد نرخ الکترود استفاده می‌شوند.

2.2 مواد مبتنی بر سیلیکون: به طور گسترده‌ای به عنوان مواد آند نسل بعدی شناخته شده‌اند. ظرفیت ویژه نظری آن‌ها به 4200 میلی‌آمپر ساعت بر گرم می‌رسد که بیش از 10 برابر گرافیت است. با این حال، انبساط حجمی عظیم (بیش از 300٪) منجر به طول عمر چرخه‌ای ضعیف می‌شود که یک چالش اصلی برای تجاری‌سازی است. کامپوزیت‌های سیلیکون-کربن (Si-C) و سیلیکون-اکسیژن (Si-O) در حال حاضر راه‌حل اصلی هستند.

2.3 تیتانات لیتیوم (LTO، Li₄Ti₅O₁₂): به دلیل عملکرد نرخ عالی و طول عمر چرخه‌ای فوق‌العاده طولانی و تقریباً عدم تشکیل دندریت لیتیوم، که منجر به ایمنی بسیار بالا می‌شود، مشهور است. معایب آن چگالی انرژی پایین و هزینه بالا است که استفاده از آن را به کاربردهای خاص با الزامات توان بالا محدود می‌کند.

2.4 لیتیوم فلزی: به عنوان "جام مقدس" مواد آند، به طور نظری دارای بالاترین ظرفیت ویژه است و برای دستیابی به باتری‌های با چگالی انرژی بالا (مانند باتری‌های لیتیوم-گوگرد و حالت جامد) حیاتی است. با این حال، رشد غیرقابل کنترل دندریت لیتیوم یک خطر جدی ایمنی ایجاد می‌کند. سایر مواد پیشرفته، مانند مواد مبتنی بر قلع، نیتریدهای فلزات واسطه و مواد آلیاژی مختلف، در حالی که هنوز در حال توسعه هستند، امکانات فراوانی را برای پیشرفت‌های تکنولوژیکی آینده فراهم می‌کنند.

III. الکترولیت

الکترولیت "بزرگراه" برای انتقال یون لیتیوم بین الکترودهای مثبت و منفی است و رسانایی یونی باتری، محدوده دمای عملیاتی و غیره را تعیین می‌کند.

3.1 الکترولیت مایع (الکترولیت): پرکاربردترین در باتری‌های لیتیوم تجاری، "خون" باتری نامیده می‌شود و عمدتاً از سه بخش تشکیل شده است.

نمک لیتیوم: یون‌های لیتیوم را فراهم می‌کند و جزء اصلی است. هگزافلوئوروفسفات لیتیوم (LiPF₆) به دلیل عملکرد کلی عالی، پرکاربردترین نمک لیتیوم است. سایرین، مانند LiBF₄ و LiFSI، اغلب به عنوان افزودنی برای بهبود ویژگی‌های عملکرد خاص استفاده می‌شوند.

حلال آلی: برای حل نمک‌های لیتیوم استفاده می‌شود. کربنات‌های حلقوی با ثابت دی‌الکتریک بالا (مانند EC و PC) و کربنات‌های زنجیره‌ای با ویسکوزیته پایین (مانند DMC، DEC و EMC) معمولاً برای بهینه‌سازی عملکرد به طور ترکیبی استفاده می‌شوند.

افزودنی‌های عملکردی: این‌ها در مقادیر کم استفاده می‌شوند اما نقش حیاتی دارند، مانند افزودنی‌های فیلم‌ساز (VC و FEC)، افزودنی‌های شعله‌باز و افزودنی‌های محافظت در برابر شارژ بیش از حد، برای بهبود ایمنی باتری و طول عمر چرخه‌ای.

3.2 الکترولیت حالت جامد: هسته باتری‌های کاملاً حالت جامد، از نظر تئوری قادر به حل کامل مسائل ایمنی مانند نشت و احتراق است. عمدتاً به سه سیستم تقسیم می‌شود: پلیمری، اکسیدی و سولفیدی، اما همه در حال حاضر با چالش‌های رسانایی یونی پایین و امپدانس بین سطحی بالا روبرو هستند.

IV. جداکننده

جداکننده یک فیلم عایق متخلخل است که بین الکترودهای مثبت و منفی قرار دارد. وظیفه آن جلوگیری از تماس مستقیم و اتصال کوتاه بین دو الکترود و در عین حال اجازه عبور یون‌های لیتیوم است. در حال حاضر، جریان اصلی غشای میکرو متخلخل پلی‌اولفین است، از جمله پلی‌اتیلن (PE)، پلی‌پروپیلن (PP) و غشاهای کامپوزیت سه لایه PP/PE/PP. برای بهبود ایمنی و عملکرد، فیلم پایه اغلب با پوشش‌دهی اصلاح می‌شود، مانند مواد سرامیکی (مانند آلومینا، بوهمیت، برای مقاومت حرارتی بهبود یافته) یا پلیمرها (مانند PVDF، آرامید، برای چسبندگی بهبود یافته).

V. اجزای کمکی و ساختاری

در حالی که این مواد مستقیماً در واکنش‌های الکتروشیمیایی شرکت نمی‌کنند، برای پردازش الکترود و عملکرد کلی باتری حیاتی هستند.

5.1 جمع‌کننده جریان: برای حمل ماده فعال و جمع‌آوری و هدایت جریان استفاده می‌شود. فویل آلومینیومی معمولاً برای الکترود مثبت و فویل مسی برای الکترود منفی استفاده می‌شود. جمع‌کننده‌های جریان کامپوزیت (مانند فیلم‌های کامپوزیت پلیمر-فلز) جهت جدیدی برای بهبود ایمنی نشان می‌دهند.

5.2 عامل رسانا: به دوغاب‌های الکترود مثبت و منفی اضافه می‌شود تا یک شبکه رسانا بین ذرات ماده فعال ایجاد کند و رسانایی الکترونیکی الکترودها را بهبود بخشد. مواد رایج مورد استفاده شامل کربن سیاه (مانند Super P، کربن سیاه استیلن، کربن سیاه Ketjen)، گرافیت رسانا و نانولوله‌های کربنی (CNTs) هستند.

5.3 چسب: ماده فعال و عامل رسانا را به طور ایمن به جمع‌کننده جریان می‌چسباند. دوغاب الکترود مثبت معمولاً از PVDF (که به حلال آلی NMP نیاز دارد) استفاده می‌کند، در حالی که دوغاب الکترود منفی معمولاً از چسب‌های مبتنی بر آب، مانند ترکیبی از SBR و CMC استفاده می‌کند.

5.4 پوسته و اجزای ساختاری: پشتیبانی مکانیکی و حفاظت آب‌بندی را فراهم می‌کنند.

پوسته: انواع رایج شامل پوسته آلومینیومی، پوسته فولادی و فیلم آلومینیوم-پلاستیک (برای باتری‌های کیسه‌ای) است.

زبانه/اتصال‌دهنده‌ها: معمولاً نوارهای آلومینیومی (الکترود مثبت) و نوارهای نیکل/نوارهای نیکل روکش‌دار مسی (الکترود منفی) هستند.

اجزای ایمنی و عایق: شامل درپوش‌ها، ورق‌های عایق، شیرهای ضد انفجار، پایانه‌های ضریب دمایی مثبت (PTC) و غیره برای اطمینان از ایمنی باتری در شرایط غیرعادی است.