Jakie są konkretne materiały stosowane w systemach baterii litowo-jonowych?

System materiału baterii litowo-jonowej jest złożony, począwszy od jądra elektrochemicznego po komponenty strukturalne.

I. Materiały katodowe

Materiały katodowe są źródłem jonów litu w baterii, a ich wydajność bezpośrednio określa gęstość energii, koszt i bezpieczeństwo baterii.można je podzielić głównie na następujące trzy kategorie::

1.1 Tlenki warstwowe:Materiały te zazwyczaj mają wysoką gęstość energii, ale stosunkowo słabą stabilność.

1.1.1 Tlenek kobaltu litowego, NCM/NCA oraz bogate w lito materiały na bazie manganu należą do struktur oksydowych w warstwach;

1.1.2 tlenek kobaltu litu (LCO, LiCoO2): jest to dominujący materiał w elektronikach konsumenckich, posiadający platformę wysokiego napięcia i wysoką gęstość kranu,ale jest on drogi i jego bezpieczeństwo wymaga poprawy.

1.1.3 Tlenek kobaltu manganu i niklu litowego (NCM): ze względu na doskonałą ogólną wydajność jest obecnie głównym wyborem dla baterii napędowych.i manganu (takie jak wspólne NCM811 i NCM622), można osiągnąć równowagę między gęstością energii, kosztami i żywotnością.

1.1.4 Tlenek aluminiowy niklu litowego kobaltu (NCA, LiNiCoAlO2): Wysoka gęstość energii i stosunkowo dobra stabilność cieplna; powszechnie stosowany w niektórych bateriach cylindrycznych.

1.1.5 Na bazie manganu bogatego w lit (xLi2MnO3·(1-x) LiMO2): Uznawany za kandydat do produkcji katod o wysokiej gęstości energii nowej generacji, posiadających jednak bardzo wysoką pojemność właściwą;Rozpad napięcia i słaba wydajność prędkości są wyzwaniami dla jego komercjalizacji.

1.2 Oliwina:Reprezentowany przez fosforan żelaza litu (LFP, LiFePO4), jego stabilna struktura zapewnia niezwykle wysoki poziom bezpieczeństwa i bardzo długi okres trwania cyklu, przy stosunkowo niskich kosztach,powodując jego szerokie stosowanie w pojazdach elektrycznych i elektrowniach magazynowych energii, w których wymagania bezpieczeństwa są niezwykle wysokieJego pochodny, fosforan żelaza litowego manganu (LMFP), próbuje poprawić gęstość energii przy zachowaniu bezpieczeństwa.

1.3 Struktura szpinelu:Odnosi się przede wszystkim do tlenku manganu litu (LMO, LiMn2O4), charakteryzującego się niskimi kosztami i dobrym bezpieczeństwem, ale z ogólnie niską wydajnością cyklu wysokotemperaturowego i gęstością energii,często stosowane w połączeniu z innymi materiałamiSpołeczność akademicka aktywnie bada systemy o wyższej gęstości energii, takie jak katody siarkowe i katody organiczne, ale wszystkie stoją przed podstawowymi wyzwaniami, takimi jak okres życia cyklu.

II. Materiały anodowe

Materiały anodowe są nośnikami do przechowywania litowo-jonowego, a ich wydajność bezpośrednio wpływa na zdolność szybkiego ładowania akumulatora i żywotność cyklu.

2.1 Materiały węglowe:Obecnie zajmuje dominującą pozycję.

2.1.1 Grafit: Staje się popularny ze względu na doskonałą stabilność cyklu i korzyści kosztowe, jest podzielony na naturalny i sztuczny grafyt.

2.1.2 Mikrosfery węglowe mezofazowe (MCMB) są również wysokiej klasy produktami z grafitu.

2.1.3 Węgiel nieuporządkowany: obejmuje węgiel twardy i węgiel miękki, w tym węgiel twardy ze względu na jego wyjątkową porową strukturę,jest uważany za potencjalny materiał do akumulatorów sodowo-jonowych i anod szybkiego ładowania litowo-jonowych.

2.1.4 Nanorurki węglowe (CNT) / grafen: zazwyczaj nie są stosowane jako główna anoda, ale raczej jako przewodzący dodatek w celu poprawy przewodności i szybkości działania elektrody.

2.2 Materiały na bazie krzemu:Uznawane są one za materiały anodowe nowej generacji, a ich teoretyczna pojemność specyficzna wynosi 4200 mAh/g, czyli ponad 10 razy więcej niż w przypadku grafitu.Ogromna ekspansja objętości (ponad 300%) prowadzi do złego okresu cykluObecnie głównym rozwiązaniem są kompozyty krzemowo-węglowe (Si-C) i krzemowo-tlenkowe (Si-O).

2.3 Titanan lithjonowy (LTO, Li4Ti5O12):Znany z doskonałej prędkości i bardzo długiego cyklu życia, praktycznie bez tworzenia się dendrytów litu, co zapewnia niezwykle wysoki poziom bezpieczeństwa.Wady to niska gęstość energii i wysoki koszt, ograniczając jego zastosowanie do specjalnych zastosowań wymagających dużej mocy.

2.4 Litium Metal:Jako "święty graal" materiałów anodowych,teoretycznie posiada najwyższą pojemność właściwą i ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia baterii o wysokiej gęstości energetycznej (takich jak baterie litowo-siarkowe i baterie stałe)Jednak niekontrolowany wzrost dendrytów litu stwarza poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa.W trakcie rozwoju., oferuje wiele możliwości dla przyszłych przełomów technologicznych.

III. Elektrolity

Elektrolit jest "autostradą" transportu jonów litu między elektrodami dodatnimi a ujemnymi, określając przewodność jonową baterii, zakres temperatury roboczej itp.

3.1 Płynny elektrolit (elektrolyt):Najczęściej stosowany w komercyjnych bateriach litowych, jest nazywany "krwią" baterii i składa się głównie z trzech części.

Sól litowa: dostarcza jonów litu i jest głównym składnikiem.takie jak LiBF4 i LiFSI, są często stosowane jako dodatki do poprawy specyficznych właściwości użytkowych.

Rozpuszczalnik organiczny: Używany do rozpuszczania soli litu. Wysoko-dylektrycznie stałe węglanki cykliczne (takie jak EC i PC) i węglanki łańcuchowe o niskiej lepkości (takie jak DMC, DEC,i EMC) są zazwyczaj stosowane w połączeniu w celu optymalizacji wydajności.

Dodatki funkcjonalne: stosowane w niewielkich ilościach, ale odgrywają kluczową rolę, takie jak dodatki kształtujące folie (VC i FEC), dodatki opóźniające płomień i dodatki zabezpieczające przed przeładowaniem,w celu poprawy bezpieczeństwa baterii i jej żywotności.

3.2 Elektrolit w stanie stałym:Rdzeń baterii w stanie stałym, teoretycznie zdolny do całkowitego rozwiązania problemów bezpieczeństwa, takich jak wycieki i spalanie.ale wszystkie obecnie stoją w obliczu wyzwań niskiej przewodności jonowej i wysokiej impedancji interfacy.

IV. Separator

Separator to porowaty film izolacyjny umieszczony między elektrodami dodatnimi i ujemnymi.Jego funkcją jest zapobieganie bezpośredniemu kontaktowi i zwarciu między dwoma elektrodami, jednocześnie umożliwiając przejście jonów litu przezObecnie najczęściej stosowana jest membrana mikroporowa poliolefiny, w tym polietylen (PE), polipropylen (PP) i trójwarstwowe kompozyty PP/PE/PP.folia podstawowa jest często modyfikowana poprzez powłokę, np. z materiałami ceramicznymi (np. alumina, boehmit, w celu poprawy odporności na ciepło) lub polimerami (np. PVDF, aramid, w celu poprawy adhezji).

V. Elementy pomocnicze i konstrukcyjne

Chociaż materiały te nie biorą bezpośredniego udziału w reakcjach elektrochemicznych, są one kluczowe dla przetwarzania elektrod i ogólnej wydajności baterii.

5.1 Zbieracz prądu: Używany do przenoszenia materiału czynnego oraz zbierania i przewodzenia prądu.podczas gdy folia miedziana jest używana do elektrody ujemnejZestawowe kolektory prądu (np. folie kompozytowe polimerowo-metalowe) stanowią nowy kierunek poprawy bezpieczeństwa.

5.2 Przewodzący środek: Dodany do slurry na elektrodzie dodatniej i ujemnej w celu stworzenia sieci przewodzącej między cząstkami aktywnego materiału, zwiększając przewodność elektroniczną elektrod.Do najczęściej stosowanych materiałów należy czarny węgiel (np..g., Super P, czarny acetylen, czarny ketjen), przewodzący grafyt i nanorurki węglowe (CNT).

5.3 Środek wiążący: mocno przylega substancji czynnej i czynnika przewodzącego do kolektora prądu.natomiast odpływ elektrody ujemnej zazwyczaj wykorzystuje wiązacze na bazie wody, takie jak kombinacja SBR i CMC.

5.4 Obudowa i elementy konstrukcyjne: zapewniają mechaniczne wsparcie i ochronę przed uszczelnieniem.

Obudowa:Powszechne rodzaje obejmują obudowę aluminiową, stalową i folie aluminiowo-plastikową (dla akumulatorów z torbą).

Wskaźniki/złącza:Zazwyczaj taśmy aluminiowe (elektrody dodatnie) i taśmy niklowe/taśmy niklowe pokryte miedzią (elektrody ujemne).

Komponenty bezpieczeństwa i izolacji:Zawiera pokrycie, blachy izolacyjne, zawory przeciwwybuchowe, końcówki o dodatnim współczynniku temperatury (PTC) itp., zapewniające bezpieczeństwo baterii w nieprawidłowych warunkach.