It katodemateriaal is de primêre boarne fan lithiumionen yn inlithium-ionbatterij. Tidens it opladen wurde lithium-ionen helle út it kristalrooster fan it katodemateriaal en it anodemateriaal yn; it omkearde komt foar by it lossen. De omkearbere kapasiteit en spanningsplato fan it katodemateriaal by it opladen en ûntladen bepale foar in grut part de enerzjytichtens fan 'e lithium-ionbatterij. Fierder, om't it katodemateriaal metalen befettet lykas lithium, kobalt en nikkel, is it de meast wichtige komponint fan 'e kosten fan in lithium-ionbatterij.
It ûntwikkeljen fan kathodematerialen mei hege enerzjytichtens, hege útfierspanning, lange libbensdoer, en maklik te meitsjen is fan grutte betsjutting. In ideaal kathodemateriaal moat de folgjende basisbetingsten foldwaan.
(1) Besit in heech redoxpotinsjeel, en soarget foar in hege útfierspanning foar de batterij.
(2) Kin safolle mooglik lithium-ionen bepale, en soarget foar in hege batterijkapasiteit.
(3) By it ynfoegje en ekstraksje fan lithium-ionen kin it katodemateriaal syn strukturele stabiliteit behâlde, sadat in lange fytslibben foar de elektrodes garandearret.
(4) Besit poerbêst elektroanyske en ion conductivity, effektyf ferminderjen enerzjy ferlies feroarsake troch polarisaasje effekten, dêrmei it garandearjen fan de batterij syn flugge lading en ûntlading mooglikheden.
(5) It wurkspanningsberik fan 'e batterij moat binnen it elektrogemyske stabiliteitsberik fan' e elektrolyt wêze, sadat ûnnedige gemyske reaksjes tusken it elektrodemateriaal en de elektrolyt minimaal wurde.
(6) It moat net allinich lege kosten en in ienfâldich syntezeproses hawwe, mar it moat ek hege miljeufreonlikens sjen litte.
Fierder moat it katodemateriaal ek poerbêste elektrogemyske en thermyske stabiliteit sjen litte.
Besteande katodematerialen kinne benammen ferdield wurde yn trije kategoryen basearre op har kristalstruktuerferskillen: ① laachstruktuer, lykas lithiumkobaltokside (LiCoO2) en ternêre materialen (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivine struktuer, lykas lithium izer fosfaat (LiFePO4); ③ spinel struktuer oksides, lykas lithium mangaan okside (LiMn2O4) en lithium nikkel mangaan okside (LiNi10.5Mn1.5O4). Ferskillende soarten kathodes hawwe ferskillende enerzjydichtheden, elektrogemyske skaaimerken en kosten, wêrtroch se úteinlik geskikt binne foar ferskate fjilden en tapassingsscenario's. Katodematerialen mei gelaagde struktuer ferwize nei katodematerialen mei in lagen mikrokristallijne struktuer, benammen ynklusyf lithiumkobalt okside, lithium nikkel kobalt mangaan okside, en lithium -ryk mangaan okside. Under harren binne lithium kobalt okside en lithium nikkel kobalt mangaan okside op it stuit de meast brûkte kathode materialen foar lithium -ion batterijen yn digitale elektroanyske produkten en macht lithium - ion batterijen. Se wurde karakterisearre troch hege enerzjytichtens, poerbêste syklusprestaasjes, en goede algemiene prestaasjes, mar it hege oanpart fan metalen lykas nikkel, kobalt en mangaan liedt ta hegere kosten.
Lithium kobalt okside kathode materiaal
Lithium kobalt okside (LiCoO2) waard ûntdutsen troch Amerikaanske wittenskipper en Nobelpriiswinner yn Skiekunde, JB Goodenough, en earst ferkocht troch Sony Corporation fan Japan yn 'e jierren 1990. Sels hjoed, lithium kobalt okside bliuwt ien fan de kathode materialen mei de heechste volumetryske enerzjy tichtens. Om dizze reden wurdt it in protte brûkt yn produkten foar digitale bûsen dy't hege volumetryske enerzjytichtens nedich binne, lykas mobile tillefoans, smartwatches en Bluetooth-headsets.
Lithium cobalt oxide (LiCoO2), as one of the earliest commercially available cathode materials, possesses a volumetric energy density unmatched by other cathode materials. Electrodes prepared from LiCoO2 can achieve a compaction density exceeding 4.2 g/cm², and a specific capacity of 185 mA·h/g at high voltage (>4.45V). Fierders toant LiCoO2 relatyf superieure elektroanyske en ionyske konduktiviteit, enerzjyeffisjinsje, en snelle -oplaadeigenskippen, foldogge oan de easken fan hjoeddeistige batterijen foar konsuminteelektronika en hat dêrmei in breed skala oan tapassingen. Op grûn fan dizze eigenskippen bliuwt LiCoO2 ien fan 'e bêste kathodematerialen oant no ta.
De wichtichste syntezemetoaden foar lithiumkobalt okside omfetsje hege-temperatuer fêste-synteze, sol-gelsynteze, en lege-koprecipitaasje. De hege-temperatuersynteze fan fêste-state omfettet it mingen fan lithiumsâlten en kobalt-befettende oksiden of hydroxiden yn in spesifike stoichiometryske ferhâlding, dan kalsinearje it mingsel op in geskikte temperatuer foar in bepaalde tiid, folge troch koeljen, pulverisearjen en sieden om it monster te krijen. Hoewol't de hege-temperatuer fêste-syntezemetoade in soad brûkt wurdt yn yndustriële produksje, is it tiid-gebrûkt, fereasket hege syntezetemperatueren, en produsearret grutte, uneven homogene poeders mei signifikante stoichiometryske ôfwikingen, wat resulteart yn in substansjele ferheging fan kosten.
Fosfaat kathode materialen
In 1997, Goodenough et al. earst foarstelde lithium izer fosfaat (LiFePO4) as in kathode materiaal foar lithium -ion batterijen.
Troch syn lege kosten, stabile struktuer en hege feiligens is dit materiaal stadichoan ien fan 'e foarkar kathodematerialen wurden foar lithium-ionbatterijen yn elektryske bussen en enerzjyopslachsystemen.
Lithium izer fosfaat (LiFePO4) dielt in ferlykbere kristal struktuer en kristal systeem mei izer fosfaat (FePO4). Dit betsjut dat it materiaal minimale folumeferoaring ûnderfynt by lithium-ion-ynfoegje/-ekstraksje, en effektyf foarkomt dat roosterskea feroarsake wurdt troch folume-útwreiding of krimp. Fierder soarget dizze karakteristyk foar goed elektrysk kontakt tusken de dieltsjes en konduktive additieven, wat resulteart yn poerbêste syklusstabiliteit en in lange libbensdoer. Derneist, lithium izer fosfaat is ferneamd om syn miljeufreonlikens, kosten - effektiviteit, poerbêste feiligens, hege spesifike kapasiteit (likernôch 170 mA · h / g), en stabile lading / discharge platfoarm. Sjoen dizze foardielen wurdt lithium izerfosfaat beskôge as in ideale kar foar kathodematerialen yn grutte-applikaasjes foar enerzjyopslach.
De metoaden omfetsje sol-gelprosessen, coprecipitation-techniken en hydrotermyske synteze. Spesifyk genereart hydrotermyske synteze it doelprodukt direkt yn in autoklaaf troch temperatuer en druk te ferheegjen, mei help fan maklik beskikbere izer, lithium en fosforferbiningen as grûnstoffen. Dizze metoade is bekend om syn ienfâldige operaasje, lytse en unifoarme partikelgrutte, en lege enerzjyferbrûk. It hat lykwols beheiningen foar yndustriële produksje, benammen troch de needsaak foar spesjaal ûntwurpen druk-bestindige konteners. Coprecipitation, oan 'e oare kant, wurdt útfierd yn in oplossingsysteem, wêr't de foarrinnermorfology wurdt beynfloede troch ferskate faktoaren lykas konsintraasje, temperatuerkontrôle, pH-oanpassing en roersnelheid. Mei it each op de beslissende rol dy't dizze parameters spylje yn 'e prestaasjes fan it definitive sintere LiFePO-materiaal, is in soarchfâldige seleksje fan eksperimintele betingsten krúsjaal. Produkten dy't troch dizze metoade taret binne, hawwe net allinich poerbêste mikrostruktuereigenskippen (dws lytse en unifoarme dieltsjegrutte), mar hawwe ek superieure elektrogemyske eigenskippen; lykwols, it is de muoite wurdich opskriuwen dat de hiele operaasje proses is relatyf kompleks, en filtration útdagings en ôffal behear saken kinne ûntstean ûnder ferwurking.
Lithium mangaan okside en lithium-rike mangaan-basearre kathodematerialen
Lithium mangaan okside
Yn it ûndersyk fan lithium-ion-batterij-kathodematerialen is in oar wichtich en kommersjeel beskikber kathodemateriaal it spinel-strukturearre lithium-mangaanoxide (LiMn₂O₄)-kathodemateriaal foarsteld troch Thackeray et al. yn 1983. Spinel -strukturearre lithium mangaan okside heart ta it kubyske kristal systeem. Syn typyske gemyske gearstalling is LiMn₂O₄. Yn 'e LiMn₂O₄-kristalstruktuer is soerstof yn in gesicht-sintraal kubike tichte-ynpakte struktuer, wylst mangaan en soerstof in octahedrale struktuer foarmje, lykas werjûn yn 'e figuer hjirûnder.
Mangaan is oerfloedich yn natuer, en de tariedingstechniken foar spinel -type lithium mangaan okside (LiMn2O4) fertoane ferskate skaaimerken. De syntezerûte en ferwurkingstechnology fan it materiaal beynfloedzje direkt de mikrostruktuer en nôtûntwikkeling fan it einprodukt. Dêrom is it optimalisearjen fan dizze syntezeprosessen krúsjaal foar it ferbetterjen fan de elektrogemyske prestaasjes fan elektrodematerialen yn praktyske tapassingen. Op it stuit brûke yndustry en akademy twa haadsoarten metoaden om LiMn2O4 te meitsjen: ien is basearre op de ynteraksje tusken fêste grûnstoffen, lykas hege-temperatuer fêste-reaksjes, mikrofoave-stipe synteze, en impregnaasjebehanneling yn gesmolten sâltmedia.
In oare kategory omfettet gemyske transformaasje yn in floeibere omjouwing, mei typyske foarbylden ynklusyf sol-geltechnology, hydrothermale synteze en coprecipitation-techniken. LiMnzO4 hat wiidferspraat omtinken lutsen troch syn priisfoardiel, poerbêste thermyske stabiliteit, sterke oerlêstbestriding, en goede miljeufoardielen. Dit materiaal hat lykwols tekoarten yn fyts- en opslachprestaasjes, fral by hege temperatueren, wêr't syn fytsprestaasjes signifikant minder wurde, wat liedt ta ûnomkearber kapasiteitsferlies.
lithium-ryk mangaan-basearre
Njonken lithium-mangaan-okside hawwe gelaagde lithium-rike mangaan-materialen wiidferspraat omtinken lutsen as in opkommende katodemateriaal foar lithium-ionbatterijen.
Tariedingsmetoaden foar lithium-rike mangaan-basearre katodematerialen omfetsje fêste-metoaden, sol-gelmetoaden, en ko-neerslachmetoaden. De metoade fan fêste-state omfettet direkt it mingjen fan metaaloksiden en metaalkarbonaten of metaalhydroxiden yn in bepaalde ferhâlding, folge troch in hege-temperatuerreaksje yn fêste-steat om gelaagde lithium-rike materialen te krijen. De foardielen fan 'e fêste-metoade binne syn fermogen om grutte hoemannichten gelaagde lithium-rike materialen te syntetisearjen, syn relatyf ienfâldige tariedingmetoade en syn lege kosten. De neidielen binne de minne diffúsjekoëffisjint fan 'e fêste-steat sintering, en it feit dat ferskate oergongsmetalen ferskillende diffusionsraten hawwe yn 'e fêste-steatreaksje, wêrtroch it dreech is foar dieltsjes om genôch te diffúsjen. Dêrom is de uniformiteit fan it syntetisearre materiaal min, wat de prestaasjes fan it katodemateriaal beynfloedet. De sol-gelmetoade omfettet earst it tafoegjen fan in oergongsmetaal sâltoplossing oan in yntegrator om in sol te foarmjen, dan it wetter te ferdampen om it in gel te meitsjen, en úteinlik it droegjen en kalsinearjen om gelaagde lithium-rike materialen te krijen. Dizze metoade jout materialen mei unifoarme ferdieling en hege suverens, en de elektroden produsearre eksposearje goede elektrogemyske prestaasjes. De neidielen dêrfan omfetsje lykwols in lange fabrikaazjesyklus, de needsaak foar in protte yntegrators (organyske soeren as ethylene glycol), wat resulteart yn hege kosten. Fierder binne de produsearre laach lithium -rike materialen meast fyn nano/mikron dieltsjes mei lege werklike tichtheid. Dêrom wurdt dizze metoade op it stuit primêr brûkt yn laboratoariumynstellingen foar it fabryk fan gelaagde lithium -rike materialen en is lestich te kommersjalisearjen.
Materialen mei hege-nikkelkatode
Ûndersikers hawwe lang socht hege-temperatuerstabiliteit en poerbêste snelheidsprestaasjes as de primêre doelen by it ûntwikkeljen fan kathode
materialen foar lithium-ionbatterijen. Under de trije wichtichste materialen - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), en LiFePO₄ - wurdt NCM beskôge as ien fan 'e meast tasizzende katodematerialen fanwegen syn relatyf hege spesifike kapasiteit, relatyf lege grûnstoffenfeiligens fergelike mei LiCoO-foardielen en miljeufreonlike kosten en superieure kosten foar miljeu oer tradisjonele materialen.
Dit type materiaal hat deselde -NaFeO₂-type laach kristalstruktuer en heart ta de R-3m romtegroep. Dit konsept waard earst foarsteld troch Liu et al. yn 1999. It kombinearret tûk de foardielen fan trije cathode materialen - lithium kobalt okside (LiCoO₂), lithium nikkel okside (LiNiO₂), en lithium mangaan okside (LiMnO₂) - en effektyf kompensearret foar de tekoartkommingen oanwêzich yn elk yndividu materiaal (5). Troch it oanpassen fan 'e ferhâlding fan' e oergongsmetalen eleminten, kin it optimale lykwicht tusken spesifike kapasiteit, syklusprestaasjes, feiligens en kosten fierder wurde berikt.
De kristalstruktuer fan lithium nikkel kobalt mangaan okside (NCM) ternary cathode materiaal is yn prinsipe itselde as dy fan LiCoO2, beide hearre ta de hexagonal layered struktuer.
