Quais são os materiais específicos utilizados nos sistemas de baterias de íons de lítio?

O sistema de material de bateria de íons de lítio é complexo, desde o núcleo eletroquímico até os componentes estruturais.

I. Materiais de catodos

Os materiais dos cátodos são a fonte dos íons de lítio na bateria, e o seu desempenho determina directamente a densidade de energia, o custo e a segurança da bateria.podem ser divididos principalmente nas seguintes três categorias::

1.1 Óxidos em camadas:Esses materiais normalmente têm alta densidade de energia, mas relativamente fraca estabilidade.

1.1.1 O óxido de cobalto de lítio, o NCM/NCA e os materiais à base de manganês ricos em lítio pertencem todos a estruturas de óxido em camadas;

1.1.2 Óxido de cobalto de lítio (LCO, LiCoO2): é o material dominante na electrónica de consumo, com uma plataforma de alta tensão e uma elevada densidade de torneira,Mas é caro e o seu desempenho de segurança precisa de melhoria.

1.1.3 Óxido de cobalto de níquel de lítio e manganês (NCM): Com excelente desempenho geral, é atualmente a escolha principal para baterias de potência.e manganês (como o NCM811 e o NCM622 comuns), pode ser alcançado um equilíbrio entre densidade energética, custo e duração.

1.1.4 Óxido de alumínio de níquel-lítio-cobalto (NCA, LiNiCoAlO2): Alta densidade de energia e relativamente boa estabilidade térmica; comumente utilizado em algumas baterias cilíndricas.

1.1.5 Baseado em manganês rico em lítio (xLi2MnO3·(1-x) LiMO2): Considerado um material candidato para catodos de alta densidade de energia de próxima geração, possuindo capacidade específica ultra elevada;A decadência da tensão e o mau desempenho da taxa são desafios para a sua comercialização.

1.2 Estrutura olivina:Representado por fosfato de ferro de lítio (LFP, LiFePO4), a sua estrutura estável resulta numa segurança extremamente elevada e numa vida útil de ciclo extremamente longa, com um custo relativamente baixo,tornando-o amplamente utilizado em veículos elétricos e centrais de armazenamento de energia onde os requisitos de segurança são extremamente elevadosO seu derivado, o fosfato de ferro de lítio e manganês (LMFP), tenta melhorar a densidade energética, mantendo a segurança.

1.3 Estrutura do espinel:Refere-se principalmente ao óxido de lítio manganês (LMO, LiMn2O4), caracterizado por baixo custo e boa segurança, mas com desempenho e densidade energética geralmente pobres em ciclos de alta temperatura,Frequentemente utilizado em combinação com outros materiaisA comunidade académica está a explorar ativamente sistemas com maior densidade de energia, como os cátodos de enxofre e os cátodos orgânicos, mas todos enfrentam desafios essenciais, como a vida útil do ciclo.

II. Materiais de ânodo

Os materiais de ânodo são os transportadores para o armazenamento de íons de lítio e o seu desempenho afeta diretamente a capacidade de carregamento rápido da bateria e a vida útil do ciclo.

2.1 Materiais à base de carbono:Atualmente detém uma posição dominante.

2.1.1 Grafite: tornando-se comum devido à sua excelente estabilidade do ciclo e vantagens de custo, é dividido em grafite natural e grafite artificial.

2.1.2 As microsferas de carbono mesofásicas (MCMB) são igualmente um produto de grafite de ponta.

2.1.3 Carbono desordenado: inclui carbono duro e carbono mole, entre os quais o carbono duro, devido à sua estrutura porosa única,É considerado um material potencial para baterias de iões de sódio e ânodos de carregamento rápido de iões de lítio.

2.1.4 Nanotubos de carbono (CNT) / grafeno: normalmente não utilizados como ânodo principal, mas sim como aditivo condutor para melhorar a condutividade e o desempenho da taxa do eléctrodo.

2.2 Materiais à base de silício:Os materiais de anodo de última geração são amplamente reconhecidos, com uma capacidade específica teórica de 4200 mAh/g, mais de 10 vezes a do grafite.a enorme expansão do volume (mais de 300%) leva a uma vida útil de ciclo pobreOs compósitos de silício-carbono (Si-C) e silício-oxigénio (Si-O) são actualmente a solução dominante.

2.3 Titanato de lítio (LTO, Li4Ti5O12):Reconhecido pelo seu excelente desempenho de taxa e vida útil de ciclo ultra longa, e praticamente nenhuma formação de dendrita de lítio, resultando em segurança extremamente elevada.As desvantagens são a baixa densidade energética e o elevado custo, limitando a sua utilização a aplicações especiais com exigências de alta potência.

2.4 Metal de lítio:Como o "santo graal" dos materiais de ânodo,Teoricamente, possui a maior capacidade específica e é crucial para alcançar baterias de alta densidade energética (como as baterias de lítio-enxofre e de estado sólido)No entanto, o crescimento incontrolável de dendrita de lítio representa um grave perigo para a segurança.enquanto ainda em desenvolvimento, oferecem numerosas possibilidades para futuros avanços tecnológicos.

III. Eletrólito

O eletrólito é a "estrada" para o transporte de íons de lítio entre os elétrodos positivos e negativos, determinando a condutividade iónica da bateria, a faixa de temperatura de funcionamento, etc.

3.1 Eletrólito líquido (eletrólito):A mais utilizada em baterias de lítio comerciais, é saudada como o "sangue" da bateria e consiste principalmente de três partes.

Sal de lítio: fornece íons de lítio e é o componente principal.tais como LiBF4 e LiFSI, são frequentemente utilizados como aditivos para melhorar as características de desempenho específicas.

Solvente orgânico: Usado para dissolver sais de lítio. Carbonatos cíclicos de alta constante dieléctrica (como EC e PC) e carbonatos de cadeia de baixa viscosidade (como DMC, DEC,e EMC) são tipicamente utilizadas em combinação para otimizar o desempenho.

Aditivos funcionais: são utilizados em pequenas quantidades, mas desempenham um papel crucial, tais como aditivos formadores de película (VC e FEC), aditivos retardadores de chama e aditivos de protecção contra sobrecarga,para melhorar a segurança da bateria e a duração do ciclo.

3.2 Eletrólito sólido:O núcleo das baterias de estado sólido, teóricamente capaz de resolver completamente problemas de segurança como fugas e combustão.Mas todos atualmente enfrentam desafios de baixa condutividade iónica e alta impedância de interfaces.

IV. Separador

O separador é uma película isolante porosa localizada entre os elétrodos positivos e negativos.Sua função é evitar o contato direto e curto-circuito entre os dois elétrodos, permitindo que os íons de lítio para passar atravésAtualmente, a principal corrente é a membrana microporosa de poliolefina, incluindo polietileno (PE), polipropileno (PP) e membranas compostas de três camadas PP/PE/PP.A película de base é muitas vezes modificada por revestimento, como com materiais cerâmicos (por exemplo, alumina, boehmite, para melhorar a resistência ao calor) ou polímeros (por exemplo, PVDF, aramida, para melhorar a adesão).

V. Componentes auxiliares e estruturais

Embora esses materiais não participem diretamente de reações eletroquímicas, eles são cruciais para o processamento de eletrodos e o desempenho geral da bateria.

5.1 Colector de corrente: utilizado para transportar o material ativo e recolher e conduzir corrente.enquanto a folha de cobre é usada para o eletrodo negativoOs colectores de corrente compostos (por exemplo, filmes compostos de polímeros e metais) representam uma nova direcção para melhorar a segurança.

5.2 Agente condutor: Adicionado às lama de elétrodos positivos e negativos para construir uma rede condutora entre partículas de material ativo, melhorando a condutividade electrónica dos elétrodos.Os materiais comumente utilizados incluem preto de carbono (e.g., Super P, preto de acetileno, preto de Ketjen), grafite condutora e nanotubos de carbono (CNTs).

5.3 Aglutinante: adere de forma segura o material ativo e o agente condutor ao colector de corrente.enquanto a lama de elétrodos negativos normalmente usa ligantes à base de água, tais como uma combinação de SBR e CMC.

5.4 Cascas e componentes estruturais: Fornecem apoio mecânico e proteção de vedação.

Casco:Os tipos comuns incluem invólucro de alumínio, invólucro de aço e filme de alumínio-plástico (para baterias de bolsa).

Tabulações/conectores:Tipicamente tiras de alumínio (elétrodo positivo) e tiras de níquel/tiras de níquel revestidas de cobre (elétrodo negativo).

Componentes de segurança e isolamento:Inclui tampas, chapas isolantes, válvulas à prova de explosão, terminais de coeficiente de temperatura positiva (PTC), etc., para garantir a segurança da bateria em condições anormais.