Bahan katoda minangka sumber utama ion litium ing abaterei lithium-ion. Sajrone ngisi daya, ion litium diekstrak saka kisi kristal bahan katoda lan ketik bahan anoda; mbalikke occurs sak discharging. Kapasitas lan voltase sing bisa dibalikake saka bahan katoda sajrone ngisi daya lan mbuwang akeh banget nemtokake kapadhetan energi baterei lithium-ion. Salajengipun, amargi bahan katoda ngandhut logam kadosta litium, kobalt, lan nikel, punika dados komponèn ingkang paling pinunjul ing biaya baterei lithium-ion.
Ngembangake bahan katoda kanthi kapadhetan energi sing dhuwur, voltase output sing dhuwur, umur layanan sing dawa, lan gampang digawe. Bahan katoda sing becik kudu nyukupi syarat dhasar ing ngisor iki.
(1) Nduweni potensial redoks dhuwur, njamin voltase output dhuwur kanggo baterei.
(2) Bisa nampung akeh ion lithium, njamin kapasitas baterei sing dhuwur.
(3) Sajrone selipan lan extraction ion lithium, materi katoda bisa njaga stabilitas struktural, saéngga njamin urip siklus dawa kanggo elektroda.
(4) Nduwe konduktivitas elektronik lan ion sing apik banget, kanthi efektif nyuda mundhut energi sing disebabake dening efek polarisasi, saéngga njamin daya baterei lan kemampuan discharge kanthi cepet.
(5) Kisaran voltase operasi baterei kudu ana ing kisaran stabilitas elektrokimia elektrolit, saéngga nyuda reaksi kimia sing ora perlu ing antarane bahan elektroda lan elektrolit.
(6) Ora mung kudu biaya murah lan proses sintesis prasaja, nanging uga kudu nuduhake ramah lingkungan.
Salajengipun, materi katoda uga kudu nduduhake stabilitas elektrokimia lan termal sing apik.
Bahan katoda sing ana saiki bisa dipérang dadi telung kategori adhedhasar bédané struktur kristal: ① struktur berlapis, kayata lithium kobalt oksida (LiCoO2) lan bahan terner (LiNiCo, Mni{1}}x-yO2); ② struktur olivine, kayata lithium wesi fosfat (LiFePO4); ③ oksida struktur spinel, kayata lithium mangan oksida (LiMn2O4) lan lithium nikel mangan oksida (LiNi10.5Mn1.5O4). Jinis katoda sing beda-beda duwe kapadhetan energi, karakteristik elektrokimia, lan biaya sing beda-beda, sing pungkasane cocog kanggo macem-macem lapangan lan skenario aplikasi. Bahan katoda struktur berlapis nuduhake bahan katoda kanthi struktur microcrystalline berlapis, utamane kalebu lithium kobalt oksida, lithium nikel kobalt mangan oksida, lan litium{12}}kaya mangan oksida. Ing antarane, lithium kobalt oksida lan lithium nikel kobalt mangan oksida saiki dadi bahan katoda sing paling akeh digunakake kanggo batre lithium{14}}ion ing produk elektronik digital lan baterei lithium{15}}daya. Iki ditondoi kanthi kapadhetan energi sing dhuwur, kinerja siklus sing apik, lan kinerja sakabèhé sing apik, nanging proporsi logam sing dhuwur kayata nikel, kobalt, lan mangan nyebabake biaya sing luwih dhuwur.
Bahan katoda lithium kobalt oksida
Litium kobalt oksida (LiCoO2) ditemokake dening ilmuwan Amerika lan pamenang Nobel Kimia, JB Goodenough, lan pisanan dipasarake dening Sony Corporation Jepang ing taun 1990-an. Malah saiki, lithium kobalt oksida tetep dadi salah sawijining bahan katoda kanthi kapadhetan energi volumetrik paling dhuwur. Mulane, iki akeh digunakake ing produk sel kantong digital sing mbutuhake Kapadhetan energi volumetrik dhuwur, kayata telpon seluler, smartwatches, lan headset 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). Kajaba iku, LiCoO2 nuduhake konduktivitas elektronik lan ion sing relatif unggul, efisiensi daya, lan karakteristik pangisian daya sing cepet-, nyukupi kabutuhan baterei elektronik konsumen saiki lan kanthi mangkono nduweni macem-macem aplikasi. Adhedhasar sifat kasebut, LiCoO2 tetep dadi salah sawijining bahan katoda paling apik nganti saiki.
Cara sintesis utama kanggo lithium kobalt oksida kalebu sintesis kondisi padhet-suhu dhuwur, sintesis gel sol-, lan kopresipitasi suhu-rendhek. Sintesis kahanan padhet -suhu dhuwur- kalebu nyampur uyah litium lan kobalt-ngandhut oksida utawa hidroksida ing rasio stoikiometri tartamtu, banjur calcining campuran ing suhu sing cocok kanggo wektu tartamtu, banjur didinginkan, pulverizing, lan sieving kanggo njupuk sampel. Sanajan metode sintesis kondisi padhet-suhu dhuwur{10}}kanggo akeh digunakake ing produksi industri, wektune{11}}mbutuhake wektu, mbutuhake suhu sintesis sing dhuwur, lan ngasilake bubuk homogen sing ora rata kanthi penyimpangan stoikiometri sing signifikan, sing nyebabake biaya mundhak akeh.
Bahan katoda fosfat
Ing taun 1997, Goodenough et al. pisanan ngusulake lithium wesi fosfat (LiFePO4) minangka bahan katoda kanggo baterei lithium-ion.
Amarga biaya murah, struktur stabil, lan safety dhuwur, materi iki mboko sithik dadi salah sawijining bahan katoda sing disenengi kanggo baterei lithium-ion ing bus listrik lan sistem panyimpenan energi.
Litium wesi fosfat (LiFePO4) duwe struktur kristal lan sistem kristal sing padha karo fosfat wesi (FePO4). Iki tegese materi ngalami owah-owahan volume minimal sajrone nglebokake/ekstraksi ion lithium-, kanthi efektif nyegah karusakan kisi amarga ekspansi utawa kontraksi volume. Salajengipun, karakteristik iki njamin kontak listrik apik antarane partikel lan aditif konduktif, asil ing stabilitas siklus banget lan umur dawa. Kajaba iku, lithium wesi fosfat misuwur amarga ramah lingkungan, biaya -efektifitas, safety banget, kapasitas spesifik dhuwur (kira-kira 170 mA·h/g), lan platform pangisi daya/discharge stabil. Kanthi kaluwihan kasebut, fosfat wesi lithium dianggep minangka pilihan becik kanggo bahan katoda ing aplikasi panyimpenan energi skala gedhe-.
Cara kasebut kalebu proses sol-gel, teknik kopresipitasi, lan sintesis hidrotermal. Khusus, sintesis hidrotermal langsung ngasilake produk target ing autoclave kanthi nambah suhu lan tekanan, nggunakake senyawa wesi, litium, lan fosfor sing kasedhiya minangka bahan mentah. Cara iki dikenal kanggo operasi prasaja, ukuran partikel cilik lan seragam, lan konsumsi energi kurang. Nanging, ana watesan kanggo produksi industri, utamane amarga mbutuhake wadhah tahan tekanan-dirancang khusus. Kopresipitasi, ing sisih liya, ditindakake ing sistem solusi, ing ngendi morfologi prekursor dipengaruhi dening macem-macem faktor kayata konsentrasi, kontrol suhu, pangaturan pH, lan tingkat pengadukan. Amarga peran sing nemtokake paramèter kasebut ing kinerja materi LiFePO sing disinter pungkasan, pilihan kahanan eksperimen sing ati-ati penting banget. Produk sing disiapake kanthi cara iki ora mung nduweni ciri mikrostruktur sing apik banget (yaiku, ukuran partikel cilik lan seragam) nanging uga nuduhake sifat elektrokimia sing unggul; Nanging, perlu dicathet yen kabeh proses operasi relatif rumit, lan tantangan filtrasi lan masalah manajemen sampah bisa uga muncul sajrone proses.
Lithium manganese oxide lan lithium -kaya mangan{1}}bahan katoda adhedhasar
Litium mangan oksida
Ing riset bahan katoda baterei lithium -ion, materi katoda liyane sing penting lan kasedhiya kanggo komersial yaiku materi katoda litium mangan oksida (LiMn₂O₄) terstruktur spinel sing diusulake dening Thackeray et al. taun 1983. Spinel-litium mangan oksida terstruktur kalebu sistem kristal kubik. Komposisi kimia khas yaiku LiMn₂O₄. Ing struktur kristal LiMn₂O₄, oksigen ana ing struktur rai-kubik tutup-pusate, dene mangan lan oksigen mbentuk struktur oktahedral, kaya sing dituduhake ing gambar ing ngisor iki.
Mangan akeh banget ing alam, lan teknik nyiapake kanggo spinel -type lithium manganese oxide (LiMn2O4) nuduhake karakteristik sing maneka warna. Rute sintesis lan teknologi pangolahan materi langsung mengaruhi mikrostruktur lan pangembangan gandum produk pungkasan. Mula, ngoptimalake proses sintesis iki penting kanggo ningkatake kinerja elektrokimia bahan elektroda ing aplikasi praktis. Saiki, industri lan akademisi akeh nggunakake rong jinis metode utama kanggo nyiapake LiMn2O4: siji adhedhasar interaksi antarane bahan mentah sing padhet, kayata reaksi kahanan padhet -suhu dhuwur, sintesis sing dibantu gelombang mikro, lan perawatan impregnasi ing media uyah cair.
Kategori liyane kalebu transformasi kimia ing lingkungan cair, kanthi conto khas kalebu teknologi sol-gel, sintesis hidrotermal, lan teknik kopresipitasi. LiMnzO4 wis narik kawigatosan umum amarga kauntungan rega, stabilitas termal sing apik, resistensi overcharge sing kuat, lan keuntungan lingkungan sing apik. Nanging, materi iki nduweni kekurangan ing kinerja muter lan panyimpenan, utamane ing suhu dhuwur, ing endi kinerja muter saya rusak banget, nyebabake mundhut kapasitas sing ora bisa dibatalake.
lithium-kaya mangan-basis
Saliyané lithium mangan oksida, bahan basis lithium -kaya mangan-berlapis wis narik kawigatèn umum minangka bahan katoda sing muncul kanggo baterei lithium-ion.
Cara nyiapake bahan katoda adhedhasar-mangan kaya litium{1}}kalebu metode-padat, metode sol-gel, lan metode presipitasi ko-. Cara kahanan padhet -nyakup langsung nyampur oksida logam lan karbonat logam utawa hidroksida logam ing proporsi tartamtu, banjur reaksi kahanan padhet suhu dhuwur -kanggo entuk bahan sugih litium-berlapis. Kauntungan saka metode solid{11}}yaiku kemampuan kanggo sintesis bahan sing sugih litium{12}}lapisan akeh, cara nyiapake sing relatif prasaja, lan biaya sing murah. Kekurangane yaiku koefisien difusi sing ora apik saka padatan sajrone sintering negara padhet, lan kasunyatan manawa logam transisi sing beda duwe tingkat difusi sing beda ing reaksi kahanan padhet, saengga partikel angel nyebar kanthi cukup. Mulane, keseragaman materi sing disintesis kurang, sing mengaruhi kinerja materi katoda. Cara sol{18}}gel kalebu pisanan nambahake solusi uyah logam transisi menyang integrator kanggo mbentuk sol, banjur nguap banyu dadi gel, lan pungkasane garing lan kalsinasi kanggo entuk bahan sing sugih lithium-lapisan. Cara iki ngasilake bahan kanthi distribusi seragam lan kemurnian sing dhuwur, lan elektroda sing diasilake nuduhake kinerja elektrokimia sing apik. Nanging, kekurangane kalebu siklus fabrikasi sing dawa, mbutuhake akeh integrator (asam organik utawa etilena glikol), sing nyebabake biaya dhuwur. Salajengipun, bahan sugih litium -lapisan sing diasilake biasane partikel nano/mikron alus kanthi kapadhetan aktual sing sithik. Mula, metode iki saiki utamane digunakake ing setelan laboratorium kanggo nggawe bahan sing sugih lithium-lapisan lan angel dikomersialake.
Bahan katoda nikel -dhuwur
Para panaliti wis suwe ngupaya stabilitas suhu - dhuwur lan kinerja tingkat sing apik minangka tujuan utama nalika ngembangake katoda.
bahan kanggo baterei lithium-ion. Ing antarane telung bahan utama - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCo₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), lan LiFePO₄ - NCM dianggep minangka salah sawijining bahan katoda sing paling njanjeni amarga kapasitas spesifik sing relatif dhuwur, biaya bahan mentah sing relatif murah, keamanan lingkungan sing luwih dhuwur tinimbang LiCoO.
Jinis materi iki nduweni struktur kristal berlapis -NaFeO₂-jinis sing padha lan kalebu klompok spasi R-3m. Konsep iki pisanan diusulake dening Liu et al. ing 1999. Iku pinter nggabungke kaluwihan saka telung bahan katoda - lithium kobalt oksida (LiCoO₂), lithium nikel oksida (LiNiO₂), lan lithium manganese oxide (LiMnO₂) - lan èfèktif ngimbangi shortcomings ana ing saben materi individu (minangka ditampilake ing Figure 5-6). Kanthi nyetel rasio unsur logam transisi, imbangan optimal antarane kapasitas tartamtu, kinerja siklus, safety, lan biaya bisa luwih ngrambah.
Struktur kristal saka lithium nikel kobalt mangan oksida (NCM) materi katoda terner Sejatine padha karo LiCoO2, loro gadhahanipun struktur heksagonal lapisan.
