Madeya katodê çavkaniya bingehîn a îyonên lîtiumê yepîlê lîtium-yon. Di dema barkirinê de, îyonên lîtiumê ji tora krîstal a madeya katodê têne derxistin û dikevin nav materyalê anode; berevajî di dema dakêşanê de pêk tê. Kapasîteya veger û voltaja maddeya katodê di dema barkirin û daxistinê de bi giranî tîrbûna enerjiyê ya pîlê lîtium-îon diyar dike. Wekî din, ji ber ku maddeya katodê metalên wekî lîtium, kobalt û nîkel dihewîne, ew pêkhateya herî girîng a lêçûna bataryaya lîtium-îonê pêk tîne.
Pêşxistina materyalên katodê yên bi dendika enerjiya bilind, voltaja hilberana bilind, jiyana karûbarê dirêj, û hêsankirina çêkirinê girîngiyek mezin e. Pêdivî ye ku materyalek katodê ya îdeal şertên bingehîn ên jêrîn bicîh bîne.
(1) Xwedî potansiyelek redoxek bilind e, ji bo pîlê voltaja hilberana bilind peyda dike.
(2) Dikare bi qasî ku gengaz be îyonên lîtiumê bicîh bike, ku kapasîteya baterî ya bilind peyda dike.
(3) Di dema danîn û derxistina îyonên lîtiumê de, maddeya katodê dikare aramiya xweya strukturî biparêze, bi vî rengî jiyanek demdirêj ji bo elektrodê peyda dike.
(4) Xwedî guheztina elektronîkî û îyonê ya hêja ye, bi bandor windabûna enerjiyê ya ku ji ber bandorên polarîzasyonê kêm dibe kêm dike, bi vî rengî kapasîteyên barkirin û dakêşana bilez a batterê misoger dike.
(5) Rêjeya voltaja xebitandinê ya pîlê divê di nav rêza aramiya elektrokîmyayî ya elektrolîtê de be, bi vî rengî reaksiyonên kîmyewî yên nehewce di navbera materyalê elektrodê û elektrolîtê de kêm bike.
(6) Ne tenê pêdivî ye ku ew lêçûnek kêm û pêvajoyek sentezek hêsan hebe, lê divê ew jî dostaniya jîngehê ya bilind jî nîşan bide.
Wekî din, pêdivî ye ku materyalê katodê jî aramiya elektrokîmyayî û germî ya hêja destnîşan bike.
Materyalên katodê yên heyî li gorî cûdahiyên strukturên wan ên krîstal dikarin bi giranî li sê kategoriyan bêne dabeş kirin: ① strukturên qatkirî, wek oksîda kobalt a lîtium (LiCoO2) û materyalên sêalî (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② avahiya olivîn, wek fosfatê hesin lîtium (LiFePO4); ③ oksîdên avahiya spinel, wekî oksîdê manganese lîtium (LiMn2O4) û oksîdê lîtium nîkel manganese (LiNi10.5Mn1.5O4). Cûreyên cûda yên katodê xwedan dendikên enerjiyê, taybetmendiyên elektrokîmyayî û lêçûnên cihê ne, di dawiyê de wan ji bo qadên cihêreng û senaryoyên serîlêdanê guncan dike. Materyalên katodê yên strukturên qat bi maddeyên katodê yên bi avahiyek mîkrokrîstalî ya qatkî ve tê binavkirin, bi giranî oksîda kobalt a lîtium, oksîda manganez kobaltê ya lîtium nîkel, û lîtium-oksîda manganez a dewlemend di nav de hene. Di nav wan de, oksîda kobalt a lîtium û oksîdê manganese-kobalt lîtium nîkel niha materyalên katodê yên ku herî zêde têne bikar anîn ji bo bataryayên lîtium-îyonê di hilberên elektronîkî yên dîjîtal de û bataryayên lîtium{15}}îyonê yên hêzdar in. Ew bi tîrêjiya enerjiyê ya bilind, performansa çerxa hêja, û performansa giştî ya baş têne destnîşan kirin, lê rêjeya bilind a metalên wekî nîkel, kobalt û manganese dibe sedema lêçûnên bilind.
Materyalên katodê oksîdê lîtium kobalt
Oksîdê kobalt lîtium (LiCoO2) ji hêla zanyarê Amerîkî û xwediyê xelata Nobelê di Kîmyayê de, JB Goodenough, hate keşif kirin û yekem car di sala 1990-an de ji hêla Sony Corporation ya Japonî ve hate firotin. Heya îro jî, oksîda kobalt a lîtium yek ji wan materyalên katodê ye ku xwedan dendika enerjiya voltîkî ya herî bilind e. Ji ber vê yekê, ew bi berfirehî di hilberên hucreyê yên dîjîtal ên dîjîtal ên ku hewceyê dendika enerjiyê ya voltîkî ya bilind hewce dike, wekî têlefonên desta, demjimêrên hişmend, û guhên Bluetooth-ê bi berfirehî tê bikar anîn.
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). Wekî din, LiCoO2 guheztina elektronîkî û îyonî, karbidestiya hêzê, û taybetmendiyên şarjê yên zû-bi nisbeten bilindtir nîşan dide, hewcedariyên bataryayên elektronîkî yên xerîdar ên heyî bicîh tîne û bi vî rengî xwedan cûrbecûr sepanan e. Li ser bingeha van taybetmendiyan, LiCoO2 heya roja îro yek ji çêtirîn materyalên katodê dimîne.
Rêbazên sentezê yên sereke ji bo oksîda kobalt a lîtiumê di nav de-germahiya zexm-senteza statûya bilind, sol-sentezkirina gel, û{3}}tevlihevkirina germahiya nizm hene. Senteza rewşa bilind-germahiya zexm-tevlîhevkirina xwêyên lîtium û kobalt-ku oksîd an hîdroksîd di nav rêjeyek stokyometrîkî ya taybetî de vedihewîne, dûv re li germahiyek guncaw ji bo demek diyar kalsîn dike, dûv re ji bo bidestxistina nimûneyê tê sarkirin, pelçiqandin û sirandin. Her çend rêbaza senteza statûya bilind-germaya zexm-di hilberîna pîşesaziyê de bi berfirehî tê bikar anîn jî, ew wext e-dixwe, germahiya sentezê ya bilind hewce dike, û tozên mezin, bêhevseng ên homojen û bi derengiyên stokyometrîkî yên girîng çêdike, ku di encamê de lêçûnek berbiçav zêde dibe.
Materyalên katodê fosfat
Di 1997 de, Goodenough et al. yekem car fosfatê hesinê lîtium (LiFePO4) wekî madeyek katodê ji bo bataryayên lîtium-îon pêşniyar kir.
Ji ber lêçûna xwe ya kêm, strukturek aram, û ewlehiya zêde, ev materyal hêdî hêdî bûye yek ji materyalên katodê yên bijarte yên ji bo bataryayên lîtium-ion di otobusên elektrîkê û pergalên hilanîna enerjiyê de.
Fosfatê hesinê lîtium (LiFePO4) bi fosfata hesin (FePO4) strukturek krîstal û pergala krîstalek wekhev parve dike. Ev tê wê wateyê ku materyal di dema ketina lîtium-îyonê/derxistina lîtiumê de herî kêm guheztina qebareyê diceribîne, bi bandor pêşî li zirara tîrêjê ya ku ji ber berbelavbûn an girêbesta qelbê çêdibe digire. Digel vê yekê, ev taybetmendî têkiliyek elektrîkî ya baş a di navbera perçe û lêzêdekên guhêrbar de peyda dike, ku di encamê de îstîqrara çerxa hêja û jiyanek dirêj peyda dike. Wekî din, fosfata hesinê lîtium ji ber dostaniya xwe ya jîngehê, lêçûn-bandoriya xwe, ewlehiya hêja, kapasîteya taybetî ya bilind (nêzîkî 170 mA·h/g), û platforma barkirin/dakêşandinê ya domdar navdar e. Ji ber van feydeyan, fosfata hesin lîtium ji bo materyalên katodê di sepanên hilanîna enerjiyê yên mezin de bijarek îdeal tê hesibandin.
Di nav van rêbazan de pêvajoyên sol-gelê, teknîkên hevbarkirinê, û senteza hîdrotermîk hene. Bi taybetî, senteza hîdrotermal rasterast bi zêdekirina germahî û zextê, bi karanîna hesin, lîtium û fosforê ku bi hêsanî peyda dibin wekî madeyên xav, hilbera armancê di otoklavekê de çêdike. Ev rêbaz ji bo operasyona xweya hêsan, mezinahiya perçeyên piçûk û yekgirtî, û xerckirina enerjiyê ya kêm tê zanîn. Lêbelê, ew ji bo hilberîna pîşesaziyê sînorkirinên wê hene, di serî de ji ber hewcedariya bi taybetî ji bo konteynerên berxwedêr ên zextê hatine sêwirandin{{4}. Ji aliyek din ve, hevbarîn di pergalek çareseriyê de tê rêve kirin, ku li wir morfolojiya pêşîn ji hêla faktorên cihêreng ên wekî hûrbûn, kontrolkirina germahiyê, verastkirina pH, û rêjeya tevlihevkirinê ve tê bandor kirin. Ji ber rola diyarker a ku van parameteran di performansa materyalê ya dawîn a LiFePO de lîstin, bijartina baldar a şert û mercên ceribandinê pir girîng e. Berhemên ku bi vê rêbazê têne amadekirin, ne tenê xwedan taybetmendiyên mîkrosaziyê yên hêja (ango mezinahiya parçikên piçûk û yekreng) ne lê di heman demê de taybetmendiyên elektrokîmyayî yên bilind jî nîşan didin; Lêbelê, hêjayî gotinê ye ku tevahiya pêvajoya operasyonê bi rêkûpêk tevlihev e, û dibe ku di dema pêvajoyê de kêşeyên filtrasyonê û pirsgirêkên rêveberiya çopê derkevin holê.
Lithium manganese oxide û lîtium-manganez dewlemend- materyalên katodê
Lithium manganese oxide
Di lêkolîna li ser materyalên katodê yên lîtium-îyonê yên katodê de, materyalek din a katodê ya girîng û ji hêla bazirganî ve peyda dibe de maddeya katodê ya lîtium manganese oksîtê (LiMn2O4) çêkirî ye ku ji hêla Thackeray et al. di sala 1983 de. Spinel-oksîda lîtium manganez a birêkûpêk aîdê pergala krîstal a kûbî ye. Kompozîsyona wê ya kîmyayî ya tîpîk LiMn2O4 e. Di avahiya krîstalê ya LiMn2O4 de, oksîjen di rûyek-kubikî ya navendê ya nêzik-pakkirî de ye, dema ku manganez û oksîjen avahiyek octahedral pêk tînin, wekî ku di jimareya jêrîn de tê xuyang kirin.
Manganese di xwezayê de pir e, û teknîkên amadekirina spinel-tîpa lîtium oksîtê manganez (LiMn2O4) taybetmendiyên cihêreng nîşan didin. Rêça sentez û teknolojiya hilberandina materyalê rasterast bandorê li mîkrostruktur û pêşkeftina genim a hilbera paşîn dike. Ji ber vê yekê, xweşbînkirina van pêvajoyên sentezkirinê ji bo baştirkirina performansa elektrokîmyayî ya materyalên elektrodê di sepanên pratîk de pir girîng e. Niha, pîşesazî û akademî bi berfirehî du awayên sereke ji bo amadekirina LiMn2O4 bikar tînin: yek li ser pêwendiya di navbera madeyên xav ên zexm de, wek-reaksiyonên rewşa hişk{9}}germahiya bilind, senteza bi alîkariya mîkropêl- û dermankirina gemarê di medyaya xwêya şilandî de bingeh digire.
Kategoriyek din veguherîna kîmyewî ya di hawîrdorek şilek de, digel mînakên tîpîk ên di nav de teknolojiya sol-gelê, senteza hîdrotermal, û teknîkên hevbarînkirinê vedihewîne. LiMnzO4 ji ber berjewendiya bihayê xwe, aramiya germî ya hêja, berxwedana zêdebarkirina bihêz, û feydeyên hawîrdorê yên baş bala berfireh kişandiye. Lêbelê, ev materyal di performansa bisiklêtan û hilanînê de kêmasiyên xwe hene, nemaze di germahiyên bilind de, ku performansa bisiklêtê ya wê pir xirab dibe, û dibe sedema windabûna kapasîteya nevegerandî.
litium-manganese dewlemend- li ser bingeha
Ji xeynî oksîda lîtium manganez, madeyên bingehîn ên lîtium-manganezên dewlemend- yên qatkirî bala berfireh kişandiye ku ji bo bataryayên lîtium-îonê katodek derketî ye.
Rêbazên amadekirina madeyên katodê yên litium-manganez dewlemend-lithium-rêbazên hişk, rêbazên sol-gel, û hev-rêbazên baranê hene. Rêbaza qayîm-rêveberiya oksîtên metal û karbonatên metal an hîdroksîdên metal bi rêjeyek diyar rasterast tevlihev dike, li dûv re reaksiyonek germahiya hişk-ji bo bidestxistina madeyên dewlemend ên lîtîyûmê yên qatkirî-tevlihev dike. Awantajên rêbaza qayîm-karbûna wê ya sentezkirina mîqdarên mezin ên lîtyuma qatkirî-materyalên dewlemend, rêbaza amadekirina wê ya nisbeten hêsan, û lêçûna wê ya kêm e. Dezavantaj ev e ku di dema-sînterkirina rewşa zexm de rêjeyên belavbûnê yên cihêreng ên metalên veguhêz ên cihêreng di reaksiyona rewşa hişk de-dibin, û ji ber vê yekê zehmet e ku pirtik bi têra xwe belav bibin. Ji ber vê yekê, yekrengiya materyalê sentezkirî nebaş e, ku bandorê li performansa materyalê katodê dike. Rêbaza sol-gelê pêşî lê zêdekirina çareseriyek xwêya metalê ya veguhêz li entegratorê vedihewîne da ku sol çêbike, dûv re av tê rijandin da ku ew bibe gel, û di dawiyê de zuwakirin û kalsînkirina wê ji bo bidestxistina madeyên dewlemend ên lîtiumê yên qatkirî-. Ev rêbaz materyalên bi belavkirina yekgirtî û paqijiya bilind peyda dike, û elektrodên hilberî performansa elektrokîmyayî ya baş nîşan didin. Lêbelê, kêmasiyên wê çerxek çêkirinê ya dirêj, hewcedariya gelek entegratoran (asîdên organîk an ethylene glycol) vedihewîne, ku di encamê de lêçûnek zêde heye. Wekî din, materyalên dewlemend ên lîtiumê yên qatkirî yên hilberandî bi piranî pariyên nano/mîkron ên xweş û bi dendika rastîn a kêm in. Ji ber vê yekê, ev rêbaz niha di serî de di mîhengên laboratîfê de ji bo çêkirina materyalên dewlemend ên lîtium{25}-tebeqkirî tê bikar anîn û bazirganîkirin dijwar e.
Materyalên katodê yên nîkelê yên bilind-
Lekolînwan ji mêj ve li îstîqrara germahiyê ya bilind- û performansa rêjeya baş wekî armancên bingehîn dema ku katodê pêşve dibin digerin.
malzemeyên ji bo bataryayên lîtium-ion. Di nav sê malzemeyên sereke de - LiCoO2, LiNi1ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO2 (NCM), û LiFePO4 - NCM ji ber kapasîteya xweya taybetî ya nisbeten bilind, lêçûnên wê yên nizm li gorî lêçûna madeya xam çêtir û avantajên ewlekariya jîngehê yên li Co₄, ji ber kapasîteya xweya taybetî ya nisbeten bilindtir û avantajên ewlekariya jîngehê yên liCo₄, lihevhatina xwe ya lihevhatî, lihevhatî û avantajên li gorî lêçûna madeya xam a LiCo₄, di nav sê materyalên sereke de - LiCoO2. li ser materyalên kevneşopî.
Ev cureyê materyalê xwediyê heman -NaFeO2-cûreya krîstal a qatkirî ye û ji koma fezayê R-3 m ye. Ev têgeh yekem car ji hêla Liu et al ve hate pêşniyar kirin. di sala 1999-an de. Ew bi aqilmendî avantajên sê materyalên katodê - oksîdê kobalt lîtium (LiCoO2), oksîdê lîtium nîkel (LiNiO2), û oksîdê lîtium manganez (LiMnO2) li hev dike - û kêmasiyên ferdî yên ku di her yekê de têne xuyang kirin-5 bi bandor telafî dike. Bi eyarkirina rêjeya hêmanên metal ên veguhêz, hevsengiya çêtirîn di navbera kapasîteya taybetî, performansa çerxê, ewlehî û lêçûn de bêtir dikare were bidestxistin.
Struktura krîstal a maddeya katodê sêdar a lîtium nîkel kobalt oksîdê manganese (NCM) bi bingehîn wekî ya LiCoO2 ye, her du jî ji strukturên qat-hexagonal in.
