Сердце литий-ионной батареи: Материалы катода
Введение
В последние годы батареи питания быстро развиваются как основной компонент новых энергетических транспортных средств. Литий-ионная батарея является наиболее часто используемой батареей в новых энергетических автомобилях, которая в основном состоит из материала анода, материала катода, диафрагмы и электролита. На долю катодных материалов приходится более 40 % общей стоимости литиевых батарей, и их характеристики напрямую влияют на показатели эффективности литиевых батарей. Поэтому катодные материалы играют центральную роль в литиевых батареях.
Основные катодные материалы
Оксид кобальта лития (LiCoO2)
Оксид кобальта лития - это неорганическое соединение и один из наиболее широко используемых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Он имеет двумерную слоистую структуру, подходящую для склонения ионов лития. Его теоретическая емкость составляет 274 мАч/г, но фактическая удельная емкость составляет около 140 мАч/г из-за ограничений структурной стабильности. Оксид кобальта лития прост в приготовлении и имеет множество преимуществ, таких как высокие электрохимические характеристики, хорошая циркуляция, а также хорошие показатели зарядки и разрядки. Несмотря на преимущества, его высокая стоимость и экологические проблемы, связанные с добычей кобальта, подтолкнули исследования в сторону альтернативных материалов.
Оксид никеля с литием (LiNiO2)
Оксид никеля лития имеет кубическую структуру каменной соли, аналогичную оксиду кобальта лития, но стоит дешевле. Он отличается высокотемпературной стабильностью, низкой скоростью саморазряда, отсутствием ограничений по перезаряду и разряду, а также отсутствием загрязнения окружающей среды. Однако его трудно приготовить из-за высоких требований к контролю условий процесса и склонности к образованию нестехиометрических соединений, что ограничивает его использование в качестве катодного материала. Несмотря на сложности в приготовлении, его потенциал для повышения плотности энергии делает его привлекательным кандидатом для будущих аккумуляторных технологий.
Фосфат железа лития (LiFePO4)
Фосфат железа лития имеет оливиновую структуру и относится к ортогональной кристаллической системе. Его теоретическая удельная емкость составляет 170 мАч/г, а теоретическое напряжение - 3,5 В. Он имеет минимальные структурные изменения до и после зарядки и разрядки, обеспечивая хорошую циркуляцию и высокотемпературную стабильность. Однако он сильно поляризуется при высокой мощности, что приводит к быстрому падению обратимой емкости и делает его непригодным для высокотоковой зарядки и разрядки. Превосходный профиль безопасности и длительный срок службы делают его идеальным для применений, где безопасность и долговечность приоритетнее плотности энергии.
Литий-никель-марганец-кобальтовый оксид (NMC)
Композитные оксиды литий-никель-марганец-кобальт обладают синергетическим эффектом за счет добавления Ni, Co и Mn, объединяя преимущества LiCoO2, LiNiO2 и LiMnO2. Добавление Ni увеличивает емкость материала, Co стабилизирует слоистую структуру, а Mn снижает стоимость материала и повышает безопасность. Материалы NMC становятся все более популярными благодаря сбалансированным эксплуатационным характеристикам. Их универсальность позволяет настраивать соотношение никеля, марганца и кобальта для оптимизации характеристик в конкретных областях применения, например, в электромобилях или системах хранения данных.
Заключение
Катодные материалы играют решающую роль в определении производительности, стоимости и безопасности литий-ионных батарей. Разработка передовых катодных материалов необходима для создания высокоэнергетических, долговечных и экономически эффективных литий-ионных батарей для новых энергетических транспортных средств. Продолжение исследований и инноваций в этой области обещает привести к дальнейшему совершенствованию технологии батарей, поддерживая растущий спрос на устойчивые энергетические решения.
