U materiale di catodu hè a fonte primaria di ioni di litiu in abatteria di lithium-ion. Durante a carica, i ioni di litiu sò estratti da u lattice di cristallu di u materiale di cathode è entra in u materiale di l'anodu; l'inverse si verifica durante a scarica. A capacità reversibile è u pianu di tensione di u materiale di catodu durante a carica è a scaricamentu determinanu largamente a densità di energia di a bateria di lithium -ion. Inoltre, perchè u materiale di cathode cuntene metalli cum'è lithium, cobalt è nickel, custituisce u cumpunente più significativu di u costu di una bateria di lithium -ion.
Sviluppà materiali di catodi cù alta densità di energia, alta tensione di output, longa vita di serviziu, è facilità di fabricazione hè di grande significatu. Un materiale di cathode ideale deve risponde à e seguenti cundizioni basi.
(1) Possede un altu potenziale redox, assicurendu una alta tensione di output per a bateria.
(2) Puderà accoglie quant'è ioni di litiu pussibule, assicurendu una capacità di bateria alta.
(3) Durante l'inserzione è l'estrazione di ioni di litiu, u materiale di catodu pò mantene a so stabilità strutturale, assicurendu cusì una longa vita di ciclu per l'elettrodu.
(4) Possede un'eccellente conduttività elettronica è ionica, riducendu efficacemente a perdita di energia causata da l'effetti di polarizazione, assicurendu cusì a capacità di carica è scarica rapida di a batteria.
(5) A gamma di tensione di u funziunamentu di a bateria deve esse in a gamma di stabilità elettrochimica di l'elettrolitu, minimizendu cusì reazzione chimica inutile trà u materiale di l'elettrodu è l'elettrolitu.
(6) Ùn solu ùn deve avè un costu bassu è un prucessu di sintesi simplice, ma deve ancu esse un altu amichevule ambientale.
Inoltre, u materiale di catodu deve ancu dimustrà una eccellente stabilità elettrochimica è termica.
I materiali di cathode esistenti ponu esse principarmenti divisu in trè categurie basatu nantu à e so diffirenzii di struttura di cristalli: ① struttura stratificata, cum'è l'ossidu di cobalt di lithium (LiCoO2) è i materiali ternari (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② struttura olivine, comu lithium fosfatatu di ferru (LiFePO4); ③ ossidi struttura spinel, cum'è lithium manganese oxide (LiMn2O4) è lithium nickel manganese oxide (LiNi10.5Mn1.5O4). Diversi tipi di catodi anu diverse densità di energia, caratteristiche elettrochimiche è costi, chì infine li facenu adattati per diversi campi è scenarii d'applicazione. I materiali di catodi di struttura stratificata si riferiscenu à i materiali catodichi cù una struttura microcristallina stratificata, cumpresu principalmente l'ossidu di cobalt di lithium, l'ossidu di manganese di lithium nickel cobalt è l'ossidu di manganese riccu di lithium-. Frà elli, l'ossidu di cobaltu di lithium è l'ossidu di manganese di cobalt di lithium nickel sò attualmente i materiali di catodi più utilizati per e batterie di lithium-ion in i prudutti elettronichi digitali è l'energia di lithium-ion batteries. Sò carattarizati da una alta densità d'energia, un rendimentu di ciculu eccellente è un bonu rendimentu generale, ma l'alta proporzione di metalli cum'è nickel, cobalt è manganese porta à costi più alti.
Materiale di catodu di l'ossidu di cobalt di lithium
Lithium cobalt oxide (LiCoO2) hè statu scupertu da u scientist americanu è u premiu Nobel in Chimica, JB Goodenough, è prima cummercializatu da Sony Corporation di u Giappone in l'anni 1990. Ancu oghje, l'ossidu di lithium cobalt resta unu di i materiali di cathode cù a più alta densità di energia volumetrica. Per questa mutivu, hè largamente utilizatu in i prudutti di cellula di sacchetti digitale chì necessitanu una alta densità di energia volumetrica, cum'è i telefuni mobili, smartwatches è cuffie Bluetooth.
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 (>4,45 V). Inoltre, LiCoO2 mostra una conduttività elettronica è ionica relativamente superiore, efficienza energetica è caratteristiche di carica rapida -, risponde à i requisiti di e batterie di l'elettronica di u cunsumu attuale è cusì avè una larga gamma di applicazioni. Basatu nantu à queste proprietà, LiCoO2 resta unu di i migliori materiali di catodi finu à a data.
I metudi principali di sintesi per l'ossidu di cobalt di lithium includenu a sintesi di stati solidi à alta -temperatura-, a sintesi di sol-gel, è a coprecipitazione à bassa -temperatura. A sintesi di u statu solidu à alta -temperature- implica a mischja di sali di lithium è cobalt-contene ossidi o idrossidi in un rapportu stoechiometricu specificu, poi calcinendu a mistura à una temperatura adattata per un certu tempu, seguita da rinfriscamentu, pulverizazione è sieving per ottene u sample. Ancu s'è u metudu di sintesi di u statu solidu di alta -temperatura-situ hè largamente utilizatu in a produzzione industriale, hè -cunsumu di tempu, esige temperature di sintesi elevate, è pruduce polveri grossi, irregularmente omogenei cù deviazioni estechiometriche significative, chì risultanu in un incrementu sustanciale di u costu.
Materiali di catodu fosfatatu
In u 1997, Goodenough et al. primu prupostu fosfatatu di ferru di lithium (LiFePO4) cum'è materiale di cathode per batterie di lithium -ion.
A causa di u so prezzu bassu, struttura stabile è alta sicurezza, stu materiale hè diventatu gradualmente unu di i materiali di catodi preferiti per e batterie di lithium-ion in autobus elettrici è sistemi di almacenamentu di energia.
Fosfatu di ferru di litiu (LiFePO4) sparte una struttura di cristalli simili è sistema di cristalli cù fosfatatu di ferru (FePO4). Questu significa chì u materiale sperimenta un cambiamentu di u voluminu minimu durante l'inserzione / estrazione di lithium-ioni, prevenendu in modu efficace u dannu di lattice causatu da l'espansione di u voluminu o a cuntrazione. Inoltre, sta caratteristica assicura un bonu cuntattu elettricu trà e particelle è l'additivi cunduttivi, risultatu in una stabilità di u ciclu eccellente è una longa vita. Inoltre, u fosfatu di ferru di lithium hè rinumatu per a so amichezza ambientale, u costu -efficacità, una sicurezza eccellente, una capacità specifica alta (circa 170 mA·h / g), è una piattaforma stabile di carica / scaricamentu. Dati sti vantaghji, u fosfatatu di ferru di litiu hè cunsideratu una scelta ideale per i materiali di catodi in applicazioni di almacenamentu di energia à grande -scala.
I metudi includenu prucessi di sol-gel, tecniche di coprecipitazione è sintesi idrotermale. In particulare, a sintesi idrotermale genera direttamente u pruduttu di destinazione in un autoclave aumentendu a temperatura è a pressione, utilizendu cumposti di ferru, litiu è fosforu facilmente dispunibili cum'è materie prime. Stu metudu hè cunnisciutu per u so funziunamentu simplice, a dimensione di particella chjuca è uniforme, è u cunsumu d'energia bassu. Tuttavia, hà limitazioni per a pruduzzione industriale, principalmente per a necessità di cuntenituri resistenti à a pressione-speciali. A coprecipitation, invece, hè realizata in un sistema di suluzione, induve a morfologia di u precursore hè affettata da parechji fatturi, cum'è a cuncentrazione, u cuntrollu di a temperatura, l'ajustamentu di u pH è a velocità di agitazione. Data u rolu decisivu chì questi parametri ghjucanu in a prestazione di u materiale finale sinterizatu LiFePO, una selezzione curretta di e cundizioni sperimentali hè cruciale. I prudutti preparati da stu metudu ùn anu micca solu caratteristiche di microstruttura eccellenti (vale à dì, dimensioni di particella chjuca è uniforme), ma ancu mostranu proprietà elettrochimiche superiori; in ogni modu, vale a pena nutà chì u prucessu di u funziunamentu tutale hè relativamente cumplessu, è i sfidi di filtrazione è i prublemi di gestione di i rifiuti ponu esse durante u processu.
L'ossidu di manganese di litiu è i materiali di catodi à base di lithium-manganesu-
Lithium manganese oxide
In a ricerca di i materiali di catodi di batterie di lithium -ioni, un altru materiale di catodu impurtante è dispunibule cummerciale hè u materiale di catodu di lithium manganese oxide (LiMn₂O₄) strutturatu di spinel-propostu da Thackeray et al. in 1983. Spinel-strutturatu l'oxidu di manganese di lithium appartene à u sistema di cristalli cubichi. A so cumpusizioni chimica tipica hè LiMn₂O₄. In a struttura cristallina di LiMn₂O₄, l'ossigenu hè in una struttura cubica vicinu -centrata in faccia-, mentre chì u manganese è l'ossigenu formanu una struttura ottaedrica, cum'è mostra in a figura sottu.
U manganese hè abbundante in natura, è e tecniche di preparazione per l'ossidu di manganese di lithium (LiMn2O4) di spinel-tipu presentanu diverse caratteristiche. A via di sintesi è a tecnulugia di trasfurmazioni di u materiale affettanu direttamente a microstruttura è u sviluppu di u granu di u pruduttu finali. Dunque, l'ottimisazione di sti prucessi di sintesi hè cruciale per migliurà a prestazione elettrochimica di i materiali elettrodi in applicazioni pratiche. Attualmente, l'industria è l'accademia impieganu largamente dui tippi principali di metudi per preparà LiMn2O4: unu hè basatu annantu à l'interazzione trà e materie prime solide, cum'è reazzioni di stati solidi à alta temperatura, sintesi assistita da microonde è trattamentu d'impregnazione in media di sali fusi.
Un'altra categuria implica a trasfurmazioni chimiche in un ambiente liquidu, cù esempi tipici cumpresi a tecnulugia di sol{0}}gel, sintesi idrotermale è tecniche di coprecipitation. LiMnzO4 hà attiratu una grande attenzione per via di u so vantaghju di u prezzu, una stabilità termale eccellente, una forte resistenza di sovraccarichi, è boni benefici ambientali. Tuttavia, stu materiale hà difetti in u ciculu è u rendiment di almacenamento, soprattuttu à e alte temperature, induve u so rendimentu di ciclismu si deteriora significativamente, purtendu à a perdita di capacità irreversibile.
basata in lithium-riccu manganese-
In più di l'ossidu di lithium manganese, i materiali stratificati basati in lithium-riccu manganese-anu attiratu l'attenzione generale cum'è un materiale di catodu emergente per e batterie di lithium-ion.
I metudi di preparazione per i materiali catodichi basati in lithium-riccu manganese- includenu i metudi solidi-, i metudi di sol-gel, è i metudi di co-precipitazione. U metudu solidu -state implica direttamente mischjà l'ossidi di metallu è carbonate di metalli o idrossidi di metalli in una certa proporzione, seguita da una reazione di statu solidu-altu à temperatura-per ottene materiali ricchi di lithium stratificati-. I vantaghji di u metudu solidu-state sò a so capacità di sintetizà grandi quantità di materiali ricchi di lithium stratificati-, u so metudu di preparazione relativamente simplice è u so prezzu bassu. I disadvantages sò u poviru coefficient di diffusione di u solidu durante a sinterizzazione di u solidu -state, è u fattu chì i diversi metalli di transizione anu diverse ritmi di diffusione in a reazzione di u solidu-, facennu difficiuli per i particeddi di sparghje abbastanza. Dunque, l'uniformità di u materiale sintetizatu hè poviru, chì affetta u rendiment di u materiale di catodu. U metudu di sol-gelu implica prima l'aghjunghje una suluzione di sali di metallu di transizione à un integratore per furmà un sol, poi l'evaporazione di l'acqua per fà un gel, è infine l'asciugatura è a calcinazione per ottene materiali ricchi di lithium-stratificati. Stu metudu rende materiali cù distribuzione uniforme è alta purezza, è l'elettrodi pruduciati mostranu un bonu rendimentu elettrochimicu. In ogni casu, i so svantaghji includenu un ciculu longu di fabricazione, a necessità di numerosi integratori (acidi organici o etilenglicol), risultatu in costi elevati. Inoltre, i materiali ricchi di litiu-stratificati pruduciuti sò in gran parte particelle nano/micron fini cù una densità attuale bassa. Per quessa, stu metudu hè attualmente utilizatu principalmente in i paràmetri di laboratoriu per a fabricazione di materiali ricchi di litiu stratificati-è hè difficiule di cummercializà.
High-materiali di catodi di nichel
I ricercatori anu longu cercatu una stabilità di alta -temperatura è un rendimentu di velocità eccellente cum'è l'ugettivi primari quandu si sviluppanu catodi
materiali per batterie di lithium-ion. Frà i trè materiali principali - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), è LiFePO₄ - NCM hè cunsideratu unu di i materiali di catodi più promettenti per via di a so capacità specifica relativamente alta, di u costu di materia prima relativamente bassu, di u costu di materia prima relativamente bassu, di i so vantaghji di u costu di a materia prima è di i so vantaghji di più qualità ambientali, è di più qualità di l'ambiente. materiali tradiziunali.
Stu tipu di materiale hà u stessu -NaFeO₂-struttura di cristalli stratificati di tipu è appartene à u gruppu spaziale R-3m. Stu cuncettu hè statu prupostu prima da Liu et al. in 1999. Hè cleverly combina i vantaghji di trè materiali cathode - lithium cobalt oxide (LiCoO₂), lithium nickel oxide (LiNiO₂), è lithium manganese oxide (LiMnO₂) - è effittivamenti cumpensà i difetti prisenti in ogni materiale individuale (cum'è mostra in ogni figura 5-6). Ajustendu u rapportu di l'elementi di metalli di transizione, l'equilibriu ottimale trà a capacità specifica, u rendiment di u ciculu, a sicurità è u costu pò esse più ottinutu.
A struttura cristallina di lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) materiale di catodu ternariu hè basicamente uguale à quellu di LiCoO2, tramindui appartene à a struttura esagonale stratificata.
