Die katodemateriaal is die primêre bron van litiumione in alitium-ioonbattery. Tydens laai word litiumione uit die katodemateriaal se kristalrooster onttrek en die anodemateriaal binnedring; die omgekeerde gebeur tydens ontlading. Die omkeerbare kapasiteit en spanningsplato van die katodemateriaal tydens laai en ontlading bepaal grootliks die energiedigtheid van die litium-ioonbattery. Verder, omdat die katodemateriaal metale soos litium, kobalt en nikkel bevat, vorm dit die belangrikste komponent van die koste van 'n litium-ioonbattery.
Die ontwikkeling van katodemateriale met hoë energiedigtheid, hoë uitsetspanning, lang dienslewe en gemak van vervaardiging is van groot belang. 'n Ideale katodemateriaal moet aan die volgende basiese voorwaardes voldoen.
(1) Beskik oor 'n hoë redokspotensiaal, wat 'n hoë uitsetspanning vir die battery verseker.
(2) Kan soveel as moontlik litiumione akkommodeer, wat 'n hoë batterykapasiteit verseker.
(3) Tydens die invoeging en onttrekking van litiumione kan die katodemateriaal sy strukturele stabiliteit behou en sodoende 'n lang sikluslewe vir die elektrode verseker.
(4) Beskik oor uitstekende elektroniese en ioongeleiding, wat effektief energieverlies wat deur polarisasie-effekte veroorsaak word, verminder, en sodoende die battery se vinnige laai- en ontladingsvermoë verseker.
(5) Die battery se werkspanningsreeks moet binne die elektrochemiese stabiliteitsreeks van die elektroliet wees, en sodoende onnodige chemiese reaksies tussen die elektrodemateriaal en die elektroliet tot die minimum beperk.
(6) Dit moet nie net lae koste en 'n eenvoudige sinteseproses hê nie, maar dit moet ook hoë omgewingsvriendelikheid toon.
Verder moet die katodemateriaal ook uitstekende elektrochemiese en termiese stabiliteit demonstreer.
Bestaande katodemateriale kan hoofsaaklik in drie kategorieë verdeel word op grond van hul kristalstruktuurverskille: ① gelaagde struktuur, soos litiumkobaltoksied (LiCoO2) en ternêre materiale (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivien struktuur, soos litium yster fosfaat (LiFePO4); ③ spinel struktuur oksiede, soos litium mangaan oksied (LiMn2O4) en litium nikkel mangaan oksied (LiNi10.5Mn1.5O4). Verskillende tipes katodes het verskillende energiedigthede, elektrochemiese eienskappe en koste, wat hulle uiteindelik geskik maak vir verskillende velde en toepassingscenario's. Gelaagde struktuur katode materiale verwys na katode materiale met 'n gelaagde mikrokristallyne struktuur, wat hoofsaaklik litiumkobaltoksied, litiumnikkelkobaltmangaanoksied en litium-ryke mangaanoksied insluit. Onder hulle is litiumkobaltoksied en litiumnikkelkobaltmangaanoksied tans die katodemateriale wat die meeste gebruik word vir litium-ioonbatterye in digitale elektroniese produkte en kraglitium-ioonbatterye. Hulle word gekenmerk deur hoë energiedigtheid, uitstekende siklusprestasie en goeie algehele werkverrigting, maar die hoë proporsie metale soos nikkel, kobalt en mangaan lei tot hoër koste.
Litium kobaltoksied katode materiaal
Litiumkobaltoksied (LiCoO2) is ontdek deur die Amerikaanse wetenskaplike en Nobelpryswenner in Chemie, JB Goodenough, en die eerste keer in die 1990's deur Sony Corporation van Japan bemark. Selfs vandag bly litiumkobaltoksied een van die katodemateriale met die hoogste volumetriese energiedigtheid. Om hierdie rede word dit wyd gebruik in digitale sakkieselprodukte wat hoë volumetriese energiedigtheid benodig, soos selfone, slimhorlosies en Bluetooth-kopstukke.
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). Verder vertoon LiCoO2 relatief voortreflike elektroniese en ioniese geleidingsvermoë, kragdoeltreffendheid en vinnige-laai-eienskappe, wat voldoen aan die vereistes van huidige verbruikerselektronika-batterye en dus 'n wye reeks toepassings het. Op grond van hierdie eienskappe bly LiCoO2 een van die beste katodemateriale tot dusver.
Die belangrikste sintesemetodes vir litiumkobaltoksied sluit in hoë-temperatuur vastestof-sintese, sol-gelsintese en lae-temperatuur-samepresipitasie. Die hoë-temperatuur vastestof-sintese behels die vermenging van litiumsoute en kobalt-bevattende oksiede of hidroksiede in 'n spesifieke stoïgiometriese verhouding, dan kalsinering van die mengsel by 'n geskikte temperatuur vir 'n sekere tyd, gevolg deur afkoeling, verpulvering en sif om die monster te verkry. Alhoewel die hoë-temperatuur vastestof-metode wyd gebruik word in industriële produksie, is dit tydrowend-, vereis dit hoë sintesetemperature, en produseer groot, oneweredig homogene poeiers met aansienlike stoïgiometriese afwykings, wat 'n aansienlike styging in koste tot gevolg het.
Fosfaat katode materiale
In 1997 het Goodenough et al. eerste voorgestelde litiumysterfosfaat (LiFePO4) as 'n katodemateriaal vir litium-ioonbatterye.
As gevolg van sy lae koste, stabiele struktuur en hoë veiligheid, het hierdie materiaal geleidelik een van die voorkeur-katodemateriale vir litium-ioonbatterye in elektriese busse en energiebergingstelsels geword.
Litium-ysterfosfaat (LiFePO4) deel 'n soortgelyke kristalstruktuur en kristalstelsel met ysterfosfaat (FePO4). Dit beteken dat die materiaal minimale volumeverandering ervaar tydens litium-ioon invoeging/onttrekking, wat effektief roosterskade voorkom wat veroorsaak word deur volume-uitsetting of sametrekking. Verder verseker hierdie eienskap goeie elektriese kontak tussen die deeltjies en geleidende bymiddels, wat uitstekende siklusstabiliteit en 'n lang lewensduur tot gevolg het. Daarbenewens is litiumysterfosfaat bekend vir sy omgewingsvriendelikheid, koste-doeltreffendheid, uitstekende veiligheid, hoë spesifieke kapasiteit (ongeveer 170 mA·h/g), en stabiele laai-/ontladingsplatform. Gegewe hierdie voordele, word litium-ysterfosfaat as 'n ideale keuse vir katodemateriale in groot-energiebergingstoepassings beskou.
Die metodes sluit sol-gelprosesse, medepresipitasietegnieke en hidrotermiese sintese in. Spesifiek, hidrotermiese sintese genereer die teikenproduk direk in 'n outoklaaf deur temperatuur en druk te verhoog, met behulp van geredelik beskikbare yster-, litium- en fosforverbindings as grondstowwe. Hierdie metode is bekend vir sy eenvoudige werking, klein en eenvormige deeltjiegrootte en lae energieverbruik. Dit het egter beperkings vir industriële produksie, hoofsaaklik as gevolg van die behoefte aan spesiaal ontwerpte druk-bestande houers. Samepresipitasie, aan die ander kant, word uitgevoer in 'n oplossingstelsel, waar die voorlopermorfologie beïnvloed word deur verskeie faktore soos konsentrasie, temperatuurbeheer, pH-aanpassing en roertempo. Gegewe die deurslaggewende rol wat hierdie parameters speel in die prestasie van die finale gesinterde LiFePO-materiaal, is noukeurige keuse van eksperimentele toestande van kardinale belang. Produkte wat deur hierdie metode voorberei word, besit nie net uitstekende mikrostruktuur-eienskappe nie (dws klein en eenvormige deeltjiegrootte) maar vertoon ook voortreflike elektrochemiese eienskappe; dit is egter opmerklik dat die hele operasieproses relatief kompleks is, en filtrasie-uitdagings en afvalbestuurkwessies kan tydens verwerking ontstaan.
Litiummangaanoksied en litium-ryke mangaan-gebaseerde katodemateriale
Litium mangaanoksied
In die navorsing van litium-ioonbattery-katodemateriale, is 'n ander belangrike en kommersieel beskikbare katodemateriaal die spinel-gestruktureerde litiummangaanoksied (LiMn₂O₄)-katodemateriaal voorgestel deur Thackeray et al. in 1983. Spinel-gestruktureerde litiummangaanoksied behoort aan die kubieke kristalstelsel. Die tipiese chemiese samestelling daarvan is LiMn₂O₄. In die LiMn₂O₄-kristalstruktuur is suurstof in 'n gesig-gesentreerde kubieke nou-gepakte struktuur, terwyl mangaan en suurstof 'n oktaëdriese struktuur vorm, soos in die figuur hieronder getoon.
Mangaan is volop in die natuur, en die voorbereidingstegnieke vir spinel-tipe litiummangaanoksied (LiMn2O4) vertoon uiteenlopende eienskappe. Die sinteseroete en verwerkingstegnologie van die materiaal beïnvloed die mikrostruktuur en korrelontwikkeling van die finale produk direk. Daarom is die optimalisering van hierdie sinteseprosesse van kardinale belang vir die verbetering van die elektrochemiese werkverrigting van elektrodemateriale in praktiese toepassings. Tans gebruik nywerheid en akademie wyd twee hooftipes metodes om LiMn2O4 voor te berei: een is gebaseer op die interaksie tussen soliede grondstowwe, soos hoë-temperatuur vaste-reaksies, mikrogolf-gesteunde sintese en impregneringsbehandeling in gesmelte soutmedia.
'n Ander kategorie behels chemiese transformasie in 'n vloeibare omgewing, met tipiese voorbeelde wat sol-gel-tegnologie, hidrotermiese sintese en mede-presipitasietegnieke insluit. LiMnzO4 het wydverspreide aandag getrek weens sy prysvoordeel, uitstekende termiese stabiliteit, sterk oorlaaiweerstand en goeie omgewingsvoordele. Hierdie materiaal het egter tekortkominge in fietsry- en bergingsprestasie, veral by hoë temperature, waar sy fietsryprestasie aansienlik verswak, wat lei tot onomkeerbare kapasiteitsverlies.
litium-ryk mangaan-gebaseer
Behalwe litiummangaanoksied, het gelaagde litium-ryke mangaan-materiale wydverspreide aandag getrek as 'n opkomende katodemateriaal vir litium-ioonbatterye.
Voorbereidingsmetodes vir litium--ryk mangaan--gebaseerde katodemateriaal sluit vaste-toestandmetodes, sol-gelmetodes en ko-presipitasiemetodes in. Die vastestof-metode behels die direk vermenging van metaaloksiede en metaalkarbonate of metaalhidroksiede in 'n sekere verhouding, gevolg deur 'n hoë-temperatuur vastestof-reaksie om gelaagde litium-ryke materiale te verkry. Die voordele van die vastestof-metode is sy vermoë om groot hoeveelhede gelaagde litium-ryke materiale te sintetiseer, sy relatief eenvoudige voorbereidingsmetode en die lae koste daarvan. Die nadele is die swak diffusiekoëffisiënt van die vastestof tydens vaste--toestand sintering, en die feit dat verskillende oorgangsmetale verskillende diffusietempo's in die vastestof-toestandreaksie het, wat dit moeilik maak vir deeltjies om voldoende te diffundeer. Daarom is die eenvormigheid van die gesintetiseerde materiaal swak, wat die prestasie van die katodemateriaal beïnvloed. Die sol-gelmetode behels dat eers 'n oorgangsmetaal soutoplossing by 'n integreerder gevoeg word om 'n sol te vorm, dan verdamp die water om dit 'n jel te maak, en laastens droog en kalsineer dit om gelaagde litium-ryke materiale te verkry. Hierdie metode lewer materiale met eenvormige verspreiding en hoë suiwerheid, en die vervaardigde elektrodes vertoon goeie elektrochemiese werkverrigting. Die nadele daarvan sluit egter 'n lang vervaardigingsiklus in, die behoefte aan talle integreerders (organiese sure of etileenglikol), wat hoë koste tot gevolg het. Verder is die vervaardigde gelaagde litium--ryke materiale meestal fyn nano/mikron-deeltjies met 'n lae werklike digtheid. Daarom word hierdie metode tans hoofsaaklik in laboratoriumomgewings gebruik vir die vervaardiging van gelaagde litium-ryke materiale en is moeilik om te kommersialiseer.
Hoë-nikkelkatodemateriale
Navorsers het lank gesoek na hoë-temperatuurstabiliteit en uitstekende tempoprestasie as die primêre doelwitte met die ontwikkeling van katode
materiaal vir litium-ioonbatterye. Onder die drie hoofmateriale - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), en LiFePO₄ - word NCM as een van die mees belowende katodemateriale beskou as gevolg van sy relatief hoë spesifieke kapasiteit, relatief lae grondstof₂-veiligheidsvoordele in vergelyking met LiCoO₂-veiligheid en beter koste en beter koste van grondstof₂ en beter kostes. oor tradisionele materiale.
Hierdie tipe materiaal het dieselfde -NaFeO₂-tipe gelaagde kristalstruktuur en behoort aan die R-3m-ruimtegroep. Hierdie konsep is die eerste keer voorgestel deur Liu et al. in 1999. Dit kombineer slim die voordele van drie katodemateriale - litiumkobaltoksied (LiCoO₂), litiumnikkeloksied (LiNiO₂), en litiummangaanoksied (LiMnO₂) - en vergoed effektief vir die tekortkominge wat in elke individuele materiaal (5) voorkom. Deur die verhouding van die oorgangsmetaalelemente aan te pas, kan die optimale balans tussen spesifieke kapasiteit, siklusprestasie, veiligheid en koste verder bereik word.
Die kristalstruktuur van litium-nikkel-kobalt-mangaanoksied (NCM) ternêre katodemateriaal is basies dieselfde as dié van LiCoO2, wat albei tot die seskantige gelaagde struktuur behoort.
