La katoda materialo estas la ĉeffonto de litiojonoj en alitio-jona baterio. Dum ŝargado, litiojonoj estas ĉerpitaj el la kristala krado de la katoda materialo kaj eniras la anodmaterialon; la inverso okazas dum malŝarĝo. La reigebla kapacito kaj tensio-altebenaĵo de la katoda materialo dum ŝargado kaj malŝarĝo plejparte determinas la energidensecon de la litia-jona baterio. Krome, ĉar la katodmaterialo enhavas metalojn kiel ekzemple litio, kobalto, kaj nikelo, ĝi konsistigas la plej signifan komponenton de la kosto de litio-jona baterio.
Disvolvado de katodaj materialoj kun alta energia denseco, alta eliga tensio, longa funkcidaŭro kaj facileco de fabrikado estas de granda signifo. Ideala katoda materialo devas plenumi la jenajn bazajn kondiĉojn.
(1) Posedas altan redox-potencialon, certigante altan eligan tension por la baterio.
(2) Povas akomodi kiel eble plej multajn litiajn jonojn, certigante altan bateran kapaciton.
(3) Dum la enmeto kaj eltiro de litiaj jonoj, la katoda materialo povas konservi sian strukturan stabilecon, tiel certigante longan ciklan vivon por la elektrodo.
(4) Posedas bonegan elektronikan kaj jonan konduktivecon, efike reduktante energian perdon kaŭzitan de polarizaj efikoj, tiel certigante la rapidajn ŝargajn kaj malŝarĝajn kapablojn de la baterio.
(5) La mastruma tensiointervalo de la kuirilaro devus esti ene de la elektrokemia stabilecintervalo de la elektrolito, tiel minimumigante nenecesajn kemiajn reagojn inter la elektrodmaterialo kaj la elektrolito.
(6) Ĝi ne nur devus havi malaltan koston kaj simplan sintezan procezon, sed ĝi ankaŭ devus elmontri altan ekologian amikecon.
Krome, la katoda materialo ankaŭ devus montri bonegan elektrokemian kaj termikan stabilecon.
Ekzistantaj katodaj materialoj povas esti plejparte dividitaj en tri kategoriojn surbaze de iliaj kristalstrukturaj diferencoj: ① tavoligita strukturo, kiel ekzemple litia kobalta rusto (LiCoO2) kaj ternaraj materialoj (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivino strukturo, kiel litio fero fosfato (LiFePO4); ③ spinel strukturo oksidoj, kiel litio mangano rusto (LiMn2O4) kaj litio nikelo mangano rusto (LiNi10.5Mn1.5O4). Malsamaj specoj de katodoj havas malsamajn energidensecojn, elektrokemiajn karakterizaĵojn, kaj kostojn, finfine igante ilin taŭgaj por malsamaj kampoj kaj aplikiĝscenaroj. Tavoligitaj strukturoj katodaj materialoj rilatas al katodaj materialoj kun tavoligita mikrokristala strukturo, ĉefe inkluzive de litia kobalta rusto, litia nikela kobalta manganoksido kaj litio-riĉa manganoksido. Inter ili, litia kobalta rusto kaj litionikela kobalta manganoksido estas nuntempe la plej uzataj katodaj materialoj por litio-jonaj baterioj en ciferecaj elektronikaj produktoj kaj elektraj litio-jonaj kuirilaroj. Ili estas karakterizitaj per alta energia denseco, bonega cikla rendimento kaj bona ĝenerala rendimento, sed la alta proporcio de metaloj kiel nikelo, kobalto kaj mangano kondukas al pli altaj kostoj.
Litia kobalta oksida katoda materialo
Litia kobaltoksido (LiCoO2) estis malkovrita fare de amerika sciencisto kaj Nobel-premiito en Kemio, JB Goodenough, kaj unue surmerkatigita fare de Sony Corporation de Japanio en la 1990-aj jaroj. Eĉ hodiaŭ, litia kobaltoksido restas unu el la katodmaterialoj kun la plej alta volumetra energidenseco. Tial, ĝi estas vaste uzata en ciferecaj sakaj ĉelaj produktoj, kiuj postulas altan volumetran energian densecon, kiel poŝtelefonoj, inteligentaj horloĝoj kaj Bluetooth-aŭdiloj.
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). Krome, LiCoO2 elmontras relative superan elektronikan kaj jonan konduktivecon, elektran efikecon kaj rapidajn-ŝargajn trajtojn, plenumante la postulojn de nunaj konsumelektronikaj baterioj kaj tiel havante larĝan gamon de aplikoj. Surbaze de ĉi tiuj propraĵoj, LiCoO2 restas unu el la plej bonaj katodaj materialoj ĝis nun.
La ĉefaj sintezaj metodoj por litia kobalta rusto inkluzivas alt-temperaturan solidan-statan sintezon, sol-ĝelan sintezon kaj malalt-temperaturan kunprecipitadon. La alta-temperatura solida-stato sintezo implikas miksi litiajn salojn kaj kobalton-enhavantaj oksidojn aŭ hidroksidojn en specifa stoiĥiometria rilatumo, tiam kalcinado de la miksaĵo ĉe taŭga temperaturo por certa tempo, sekvita per malvarmigo, pulverizado, kaj kribri por akiri la provaĵon. Kvankam la alt-temperatura solida-sinteza metodo estas vaste uzata en industria produktado, ĝi estas tempo-postula, postulas altajn sinteztemperaturojn, kaj produktas grandajn, malegale homogenajn pulvorojn kun signifaj stoiĥiometriaj devioj, rezultigante grandan kreskon de kosto.
Fosfataj katodaj materialoj
En 1997, Goodenough et al. unue proponis litian ferfosfaton (LiFePO4) kiel katodan materialon por litio-jonaj baterioj.
Pro ĝia malalta kosto, stabila strukturo kaj alta sekureco, ĉi tiu materialo iom post iom fariĝis unu el la preferataj katodaj materialoj por litio-jonaj baterioj en elektraj busoj kaj energistokaj sistemoj.
Litia ferfosfato (LiFePO4) partumas similan kristalstrukturon kaj kristalsistemon kun ferfosfato (FePO4). Ĉi tio signifas, ke la materialo spertas minimuman volumenan ŝanĝon dum litio-jona enmetado/eltiro, efike malhelpante kraddamaĝon kaŭzitan de volumena ekspansio aŭ kuntiriĝo. Krome, ĉi tiu karakterizaĵo certigas bonan elektran kontakton inter la partikloj kaj konduktaj aldonaĵoj, rezultigante bonegan ciklostabilecon kaj longan vivdaŭron. Krome, litia ferfosfato estas fama pro sia media amikeco, kost-efikeco, bonega sekureco, alta specifa kapacito (ĉirkaŭ 170 mA·h/g), kaj stabila ŝargo/malŝarĝa platformo. Konsiderante ĉi tiujn avantaĝojn, litia ferfosfato estas konsiderata ideala elekto por katodaj materialoj en grandskalaj energistokaj aplikoj.
La metodoj inkluzivas sol-ĝelprocezojn, kunprecipitadajn teknikojn kaj hidrotermikan sintezon. Specife, hidrotermika sintezo rekte generas la celprodukton en aŭtoklavo pliigante temperaturon kaj premon, uzante facile haveblajn feron, lition, kaj fosforkunmetaĵojn kiel krudaĵojn. Ĉi tiu metodo estas konata pro sia simpla operacio, malgranda kaj unuforma partiklograndeco kaj malalta energikonsumo. Tamen ĝi havas limigojn por industria produktado, ĉefe pro la bezono de speciale dezajnitaj premo-rezistemaj ujoj. Koprecipitado, aliflanke, estas kondukita en solvsistemo, kie la antaŭmorfologio estas trafita per diversaj faktoroj kiel ekzemple koncentriĝo, temperaturkontrolo, pH-alĝustigo, kaj movorapideco. Konsiderante la decidan rolon, kiujn ĉi tiuj parametroj ludas en la agado de la fina sintrita LiFePO-materialo, zorgema elekto de eksperimentaj kondiĉoj estas decida. Produktoj preparitaj per ĉi tiu metodo ne nur posedas bonegajn mikrostrukturajn trajtojn (t.e., malgranda kaj unuforma partiklograndeco) sed ankaŭ elmontras superajn elektrokemiajn ecojn; tamen, indas noti, ke la tuta operacioprocezo estas relative kompleksa, kaj filtraj defioj kaj ruboadministrado problemoj povas ekesti dum prilaborado.
Litia manganoksido kaj litio-riĉa mangano-katodaj materialoj
Litia manganoksido
En la esplorado de litio-jonbateriaj katodmaterialoj, alia grava kaj komerce havebla katodmaterialo estas la spinel-strukturita litia manganoksido (LiMn₂O₄) katodmaterialo proponita fare de Thackeray et al. en 1983. Spinel-strukturita litia manganoksido apartenas al la kuba kristala sistemo. Ĝia tipa kemia konsisto estas LiMn₂O₄. En la kristala strukturo LiMn₂O₄, oksigeno estas en vizaĝo-centrita kuba proksima-plena strukturo, dum mangano kaj oksigeno formas okedran strukturon, kiel montrite en la figuro malsupre.
Mangano estas abunda en naturo, kaj la preparteknikoj por spinel-tipa litia manganoksido (LiMn2O4) elmontras diversajn trajtojn. La sinteza vojo kaj pretiga teknologio de la materialo rekte influas la mikrostrukturon kaj grenan disvolviĝon de la fina produkto. Tial, optimumigi tiujn sintezprocezojn estas decida por plibonigado de la elektrokemia efikeco de elektrodmaterialoj en praktikaj aplikoj. Nuntempe, industrio kaj akademio vaste utiligas du ĉefajn specojn de metodoj por prepari LiMn2O4: unu estas bazita sur la interagado inter solidaj krudaĵoj, kiel ekzemple alt-temperatura solida-stato reagoj, mikroonda-kunlaborita sintezo, kaj impregna traktado en fandita salmedio.
Alia kategorio implikas kemian transformon en likva medio, kun tipaj ekzemploj inkluzive de sol-ĝelteknologio, hidrotermika sintezo kaj kunprecipitadaj teknikoj. LiMnzO4 altiris vastan atenton pro sia preza avantaĝo, bonega termika stabileco, forta superŝarĝa rezisto kaj bonaj mediaj avantaĝoj. Tamen, ĉi tiu materialo havas mankojn en biciklado kaj stokado-rendimento, precipe ĉe altaj temperaturoj, kie ĝia biciklada efikeco signife plimalboniĝas, kondukante al neinversigebla kapacitperdo.
litio-riĉa mangano-bazita
Krom litia manganoksido, tavoligitaj litio-riĉa mangano-materialoj altiris vastan atenton kiel emerĝanta katoda materialo por litio-jonaj baterioj.
Preparaj metodoj por litio-riĉa mangano-katodaj materialoj inkluzivas solid-metodojn, sol-ĝelo-metodojn kaj ko-precipitajn metodojn. La solida-metodo implikas rekte miksi metalajn oksidojn kaj metalajn karbonatojn aŭ metalajn hidroksidojn en certa proporcio, sekvita de alta-temperatura solida-reago por akiri tavoligitajn litiajn-riĉajn materialojn. La avantaĝoj de la solida-metodo estas ĝia kapablo sintezi grandajn kvantojn de tavoligitaj litio-riĉaj materialoj, ĝia relative simpla preparmetodo, kaj ĝia malalta kosto. La malavantaĝoj estas la malbona disvastigkoeficiento de la solido dum solida-sinterizado, kaj la fakto ke malsamaj transirmetaloj havas malsamajn difuzajn indicojn en la solida-reago, malfaciligante ke partikloj disvastiĝos sufiĉe. Tial, la unuformeco de la sintezita materialo estas malbona, kio influas la agadon de la katoda materialo. La metodo de sol-ĝelo implicas unue aldoni transirmetalan salsolvon al integrilo por formi sunon, poste vaporigi la akvon por fari ĝin ĝelo, kaj fine sekigi kaj kalcinigi ĝin por akiri tavoligitajn litiajn-riĉajn materialojn. Ĉi tiu metodo donas materialojn kun unuforma distribuo kaj alta pureco, kaj la elektrodoj produktitaj elmontras bonan elektrokemian agadon. Tamen, ĝiaj malavantaĝoj inkludas longan elpensciklon, la bezonon de multaj integrigantoj (organikaj acidoj aŭ etilenglikolo), rezultigante altajn kostojn. Krome, la produktitaj tavoligitaj litio-riĉaj materialoj estas plejparte fajnaj nano/mikronaj partikloj kun malalta reala denseco. Tial, ĉi tiu metodo estas nuntempe ĉefe uzita en laboratoriokontekstoj por fabriki tavoligitajn litiajn riĉajn materialojn kaj estas malfacile komercebla.
Altaj-nikelaj katodaj materialoj
Esploristoj longe serĉis altan-temperaturan stabilecon kaj bonegan indicon-efikecon kiel la ĉefajn celojn dum evoluigado de katodo.
materialoj por litio-jonaj kuirilaroj. Inter la tri ĉefaj materialoj - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), kaj LiFePO₄ - NCM estas konsiderata unu el la plej esperigaj katodaj materialoj pro sia relative alta specifa kapacito, relative malalta kosto de krudmaterialoj kaj pli bonaj sekurecaj kostoj al LiCoO₂, kompare al LiCoO₂ pli bonaj sekurecaj avantaĝoj kun la plej esperigaj katodaj materialoj. tradiciaj materialoj.
Ĉi tiu speco de materialo havas la saman -NaFeO₂-tipan tavoligitan kristalstrukturon kaj apartenas al la R-3m spacgrupo. Tiu koncepto unue estis proponita fare de Liu et al. en 1999. Ĝi lerte kombinas la avantaĝojn de tri katodaj materialoj - litia kobalta rusto (LiCoO₂), litia nikela rusto (LiNiO₂), kaj litia manganoksido (LiMnO₂) - kaj efike kompensas la mankojn ĉeestantajn en ĉiu individua materialo5-6. Ĝustigante la rilatumon de la transirmetalaj elementoj, la optimuma ekvilibro inter specifa kapacito, cikla rendimento, sekureco kaj kosto povas esti plu atingita.
La kristalstrukturo de litia nikela kobalta manganoksido (NCM) ternara katoda materialo estas baze la sama kiel tiu de LiCoO2, ambaŭ apartenantaj al la sesangula tavoligita strukturo.
