Катод материалы литий иондорунун негизги булагы болуп саналатлитий{0}}иондук батарея. Заряддоо учурунда литий иондору катоддук материалдын кристалл торунан алынып, аноддук материалга кирет; тескери разряд учурунда пайда болот. Заряддоо жана разряддоо учурундагы катоддук материалдын кайра сыйымдуулугу жана чыңалуу платосу негизинен литий-иондук батареянын энергия тыгыздыгын аныктайт. Мындан тышкары, катод материалында литий, кобальт жана никель сыяктуу металлдар болгондуктан, ал литий{4}}иондук батареянын наркынын эң маанилүү компонентин түзөт.
Энергиянын жогорку тыгыздыгы, жогорку чыгыш чыңалуусу, узак кызмат мөөнөтү жана даярдоонун оңойлугу менен катоддук материалдарды иштеп чыгуу чоң мааниге ээ. Идеалдуу катод материалы төмөнкү негизги шарттарга жооп бериши керек.
(1) Батарея үчүн жогорку чыгыш чыңалуусун камсыз кылуучу жогорку редокс потенциалына ээ.
(2) Батареянын жогорку сыйымдуулугун камсыз кылуу, мүмкүн болушунча көп литий иондорун жайгаштыра алат.
(3) Литий иондорун киргизүү жана экстракциялоо учурунда катод материалы структуралык туруктуулугун сактай алат, ошентип электроддун узак цикл өмүрүн камсыз кылат.
(4) Эң сонун электрондук жана иондук өткөрүмдүүлүккө ээ, поляризациялык эффекттерден келип чыккан энергиянын жоготууларын эффективдүү азайтат, ошону менен батареянын тез заряддоо жана разряддоо мүмкүнчүлүктөрүн камсыз кылат.
(5) Батареянын иштөө чыңалуу диапазону электролиттин электрохимиялык туруктуулук диапазонунда болушу керек, ошону менен электрод материалы менен электролиттин ортосундагы керексиз химиялык реакцияларды азайтат.
(6) Ал арзан жана жөнөкөй синтез процессине гана ээ болбостон, экологиялык жактан да таза болушу керек.
Мындан тышкары, катод материалы ошондой эле мыкты электрохимиялык жана жылуулук туруктуулугун көрсөтүшү керек.
Колдонуудагы катоддук материалдарды кристаллдык түзүлүшүнүн айырмачылыктары боюнча негизинен үч категорияга бөлүүгө болот: ① катмарлуу түзүлүш, мисалы, литий кобальт оксиди (LiCoO2) жана үчтүк материалдар (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② оливин түзүлүшү, мисалы, литий темир фосфат (LiFePO4); ③ шпинел түзүмү оксиддери, мисалы, литий марганец кычкылы (LiMn2O4) жана литий никел марганец кычкылы (LiNi10.5Mn1.5O4). Катоддордун ар кандай түрлөрү ар кандай энергетикалык тыгыздыкка, электрохимиялык мүнөздөмөлөргө жана чыгымдарга ээ, акыры аларды ар кандай тармактарга жана колдонуу сценарийлерине ылайыктуу кылат. Кабат түзүлүшү катод материалдары катмарлуу микрокристаллдык түзүлүштөгү катоддук материалдарга тиешелүү, анын ичинде литий кобальт оксиди, литий никель кобальт марганец оксиди жана литий-бай марганец оксиди. Алардын арасында литий кобальт оксиди жана литий никель кобальт марганец оксиди учурда санарип электроникалык продуктылардагы литий{14}}батареялар жана кубаттуу литий-батареялар үчүн эң кеңири колдонулган катод материалдары болуп саналат. Алар жогорку энергия тыгыздыгы, мыкты цикл аткаруу жана жакшы жалпы аткаруу менен мүнөздөлөт, бирок, мисалы, никель, кобальт жана марганец сыяктуу металлдардын жогорку үлүшү жогорку чыгымдарды алып келет.
Литий кобальт оксиди катод материалы
Литий кобальт оксиди (LiCoO2) америкалык окумуштуу жана химия боюнча Нобель сыйлыгынын лауреаты Дж.Б.Гуденоу тарабынан ачылган жана биринчи жолу 1990-жылдары Япониянын Sony корпорациясы тарабынан сатылган. Бүгүнкү күндө да литий кобальт оксиди эң жогорку көлөмдүү энергия тыгыздыгы менен катоддук материалдардын бири бойдон калууда. Ушул себептен улам, ал уюлдук телефондор, акылдуу сааттар жана Bluetooth гарнитуралары сыяктуу жогорку көлөмдүү энергиянын тыгыздыгын талап кылган санарип баштык клетка продуктуларында кеңири колдонулат.
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). Андан тышкары, LiCoO2 салыштырмалуу жогорку электрондук жана иондук өткөргүчтүктү, кубаттуулукту эффективдүүлүктү жана тез-заряддоо мүнөздөмөлөрүн көрсөтүп, учурдагы керектөөчү электроника батарейкаларынын талаптарына жооп берет жана ошону менен колдонуунун кеңири спектрине ээ. Бул касиеттердин негизинде LiCoO2 бүгүнкү күнгө чейин эң мыкты катоддук материалдардын бири бойдон калууда.
Литий кобальт оксиди үчүн синтездин негизги ыкмаларына жогорку-температурадагы катуу{1}}жагдайдын синтези, золь-гель синтези жана төмөнкү-температурадагы бирге чөктүрүүнү камтыйт. Жогорку-температурадагы катуу{6}} абалдын синтези литий туздары менен кобальт{7}}оксиддерин же гидроксиддерин белгилүү бир стехиометриялык катышта аралаштырууну, андан соң аралашманы белгилүү бир убакытка ылайыктуу температурада кальцинөөнү, андан кийин үлгүнү алуу үчүн муздатууну, майдалоону жана электен өткөрүүнү камтыйт. Жогорку{9}}температуралык-катуу абалды синтездөө ыкмасы өнөр жай өндүрүшүндө кеңири колдонулса да, ал-убакытты талап кылат, синтездин жогорку температураларын талап кылат жана олуттуу стехиометриялык четтөөлөр менен чоң, бирдей эмес бир тектүү порошокторду чыгарат, натыйжада өздүк нарктын олуттуу өсүшүнө алып келет.
Фосфаттык катоддук материалдар
1997-жылы, Goodenough et al. биринчи жолу литий-иондук батареялар үчүн катоддук материал катары литий темир фосфатты (LiFePO4) сунуштаган.
Өзүнүн арзан баасына, туруктуу түзүлүшүнө жана жогорку коопсуздугуна байланыштуу бул материал бара-бара электр автобустарында жана энергияны сактоо тутумдарында литий{0}}иондук батарейкалар үчүн артыкчылыктуу катоддук материалдардын бири болуп калды.
Литий темир фосфаты (LiFePO4) темир фосфаты (FePO4) менен окшош кристаллдык түзүлүшкө жана кристаллдык системага ээ. Бул материал литий-ионду киргизүү/чыгаруу учурунда көлөмдүн минималдуу өзгөрүшүнө дуушар болуп, көлөмдүн кеңейиши же жыйрылышынан келип чыккан тордун бузулушун натыйжалуу алдын ала турганын билдирет. Андан тышкары, бул өзгөчөлүк бөлүкчөлөр менен өткөргүч кошулмалардын ортосундагы жакшы электр байланышын камсыздайт, натыйжада циклдин туруктуулугуна жана узак мөөнөткө ээ болот. Кошумчалай кетсек, литий темир фосфаты өзүнүн экологиялык тазалыгы,{6}}эффективдүүлүгү, эң сонун коопсуздугу, жогорку өзгөчө кубаттуулугу (болжол менен 170 мА·ч/г) жана туруктуу заряддоо/разряд платформасы менен белгилүү. Бул артыкчылыктарды эске алуу менен, литий темир фосфаты энергияны сактоо үчүн чоң-колдонмолордо катоддук материалдар үчүн идеалдуу тандоо болуп эсептелет.
Методдорго золь-гель процесстери, копреципитация ыкмалары жана гидротермикалык синтез кирет. Тактап айтканда, гидротермикалык синтез чийки зат катары оңой жеткиликтүү темир, литий жана фосфор кошулмаларын колдонуу менен температураны жана басымды жогорулатуу аркылуу автоклавда максаттуу продуктуну түзөт. Бул ыкма өзүнүн жөнөкөй иштеши, кичинекей жана бирдей бөлүкчөлөрдүн өлчөмү жана аз энергия керектөөсү менен белгилүү. Бирок, анын өнөр жай өндүрүшү үчүн чектөөлөр бар, бул биринчи кезекте атайын жасалган басымга- чыдамдуу контейнерлерге муктаждыктан улам. Копреципитация, экинчи жагынан, эритме системасында жүргүзүлөт, мында прекурсорлордун морфологиясына концентрация, температураны көзөмөлдөө, рН тууралоо жана аралаштыруу ылдамдыгы сыяктуу ар кандай факторлор таасир этет. Бул параметрлер акыркы агломерацияланган LiFePO материалын аткарууда чечүүчү ролду ойноорун эске алып, эксперименталдык шарттарды кылдат тандоо абдан маанилүү. Бул ыкма менен даярдалган продуктылар эң сонун микроструктуралык мүнөздөмөлөргө (б.а. кичинекей жана бирдей бөлүкчөлөрдүн өлчөмү) гана ээ болбостон, ошондой эле жогорку электрохимиялык касиеттерге ээ; бирок, бул бүт операция процесси салыштырмалуу татаал экенин белгилей кетүү керек, жана чыпкалоо кыйынчылыктар жана калдыктарды башкаруу маселелери кайра иштетүү учурунда пайда болушу мүмкүн.
Литий марганец кычкылы жана литий-бай марганец-негизделген катоддук материалдар
Литий марганец оксиди
Литий{0}}иондук батареянын катоддук материалдарын изилдөөдө дагы бир маанилүү жана коммерциялык жактан жеткиликтүү катод материалы Такерей жана башкалар тарабынан сунушталган шпинель{1}}структуралуу литий-марганец оксиди (LiMn₂O₄) катод материалы болуп саналат. 1983-ж. Анын типтүү химиялык курамы LiMn₂O₄ болуп саналат. LiMn₂O₄ кристалл структурасында кычкылтек бет-борбору бар куб жакын-жыймалуу түзүлүштө, ал эми марганец менен кычкылтек төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөндөй октаэдрдик түзүлүштү түзөт.
Марганец табиятта көп жана шпинел{0}}түрүндөгү литий марганец оксиди (LiMn2O4) үчүн даярдоо ыкмалары ар кандай мүнөздөмөлөрдү көрсөтөт. Материалды синтездөө жолу жана кайра иштетүү технологиясы акыркы продуктунун микроструктурасына жана данынын өнүгүшүнө түздөн-түз таасир этет. Ошондуктан, бул синтез процесстерин оптималдаштыруу практикалык колдонмолордо электроддук материалдардын электрохимиялык көрсөткүчтөрүн жакшыртуу үчүн өтө маанилүү болуп саналат. Учурда өнөр жай жана академия LiMn2O4 даярдоонун эки негизги ыкмасын кеңири колдонушат: бири катуу чийки заттардын ортосундагы өз ара аракеттенүүгө негизделген, мисалы, жогорку{8}}катуу{9}}температуралык реакциялар, микротолкундар{10}жардамындагы синтез жана эриген туз чөйрөсүндө импрегнациялоо.
Дагы бир категория суюк чөйрөдө химиялык трансформацияны камтыйт, анын типтүү мисалдары золь-гель технологиясы, гидротермалдык синтез жана чогуу преципитация ыкмалары. LiMnzO4 баанын артыкчылыгы, мыкты жылуулук туруктуулугу, күчтүү ашыкча зарядга туруштук берүүсү жана жакшы экологиялык пайдалары менен кеңири көңүл бурду. Бирок, бул материал, өзгөчө жогорку температурада, анын cycling аткаруу олуттуу начарлап, калыбына келгис кубаттуулугу жоготууга алып, cycling жана сактоо көрсөткүчтөрүн кемчиликтери бар.
литий-бай марганец-негизинде
Литий-марганец оксидинен тышкары, катмарлуу литий-бай марганец-негизделген материалдар литий-батареялар үчүн жаңыдан пайда болгон катод материалы катары кеңири көңүл бурду.
Литий-бай марганец-негизделген катод материалдарын даярдоо ыкмаларына катуу{2}}абал ыкмалары, золь-гель ыкмалары жана ко-төкмөлөр кирет. Катуу{6}}катуу абал ыкмасы металл оксиддерин жана металл карбонаттарын же металл гидроксиддерин белгилүү бир пропорцияда түздөн-түз аралаштырууну, андан кийин катмарлуу литий-бай материалды алуу үчүн жогорку-температурадагы катуу{8}}реакцияны камтыйт. Катуу{11}}статтык ыкманын артыкчылыктары анын катмарлуу литий{12}}көп сандагы материалдарды синтездөө жөндөмдүүлүгү, салыштырмалуу жөнөкөй даярдоо ыкмасы жана арзандыгы болуп саналат. Кемчиликтери катуу абалды агломерациялоодо катуу заттын начар диффузия коэффиценти- жана ар кандай өткөөл металлдар катуу{15}}реакцияда ар кандай диффузия ылдамдыгына ээ болуп, бөлүкчөлөрдүн жетиштүү түрдө диффузияланышын кыйындатат. Демек, синтезделген материалдын бир тектүүлүгү начар, бул катоддук материалдын иштешине таасирин тийгизет. Золь{18}}гель ыкмасы адегенде интеграторго өтүүчү металл тузунун эритмесин кошуп, эритмесин пайда кылууну, андан кийин сууну буулантып, аны гелге айлантууну, акырында аны кургатып, кальцилештирип, катмарланган литийге- бай материалдарды алат. Бул ыкма бир калыпта бөлүштүрүү жана жогорку тазалык менен материалдарды берет, ошондой эле өндүрүлгөн электроддор жакшы электрохимиялык көрсөткүчтөрдү көрсөтөт. Бирок, анын кемчиликтери узак даярдоо циклин камтыйт, көптөгөн интеграторлорго (органикалык кислоталар же этиленгликол) муктаждык, натыйжада жогорку чыгымдар. Андан тышкары, өндүрүлгөн катмарлуу литий{23}}бай материалдар негизинен тыгыздыгы төмөн болгон майда нано/микрон бөлүкчөлөр. Ошондуктан, бул ыкма учурда негизинен литий{25}}кабаттуу материалдарды даярдоо үчүн лабораториялык шарттарда колдонулат жана аны коммерциялаштыруу кыйын.
Жогорку-никель катоддук материалдар
Изилдөөчүлөр катодду иштеп чыгууда негизги максат катары жогорку-температуранын туруктуулугун жана эң сонун көрсөткүчтү көптөн бери издеп келишкен.
литий-иондук батареялар үчүн материалдар. Үч негизги материалдардын ичинен - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM) жана LiFePO₄ - NCM салыштырмалуу жогорку өзгөчө кубаттуулугу, салыштырмалуу төмөн чийки заттын баасы, экологиялык жактан жакшыраак жана коопсуздугу, LiCo₂ менен салыштырганда эң келечектүү катод материалдарынын бири болуп эсептелет. салттуу материалдардан артыкчылыктары.
Материалдын бул түрү бирдей -NaFeO₂- типтеги катмарлуу кристалл структурасына ээ жана R-3m мейкиндик тобуна кирет. Бул концепция биринчи жолу Лю жана башкалар тарабынан сунушталган. 1999-жылы. Ал үч катоддук материалдын артыкчылыктарын акылдуулук менен айкалыштырат - литий кобальт оксиди (LiCoO₂), литий никель оксиди (LiNiO₂) жана литий марганец оксиди (LiMnO₂) жана эффективдүү түрдө ар бир материалды компенсациялайт (5-сүрөттө көрсөтүлгөн кыскача). Өткөөл металл элементтеринин катышын жөнгө салуу менен, конкреттүү кубаттуулук, цикл аткаруу, коопсуздук жана наркынын ортосундагы оптималдуу балансты андан ары жетишүүгө болот.
Литий никель кобальт марганец кычкылы (NCM) үчтүк катод материалынын кристаллдык түзүлүшү, негизинен, LiCoO2 менен бирдей, экөө тең алты бурчтуу катмарлуу түзүлүшкө кирет.
