E material di katódo ta e fuente prinsipal di ionnan di litio den unbateria di litio-ion. Durante kargamentu, ionnan di litio ta wòrdu ekstraí for di e material di katodo su retikulo di kristal i ta drenta den e material di anodo; e reverso ta sosodé durante deskarga. E kapasidat reversibel i e plateau di voltahe di e material di katódo durante kargamentu i deskargamentu ta determiná pa gran parti e densidat di energia di e bateria di ion di litio. Ademas, dor ku e material di katódo ta kontené metalnan manera litio, kobalt i nikel, e ta konstituí e komponente mas signifikante di e kosto di un bateria di litio-ion.
Desaroyá materialnan di katódo ku densidat di energia haltu, voltahe di salida haltu, bida di servisio largu i fasilidat di fabrikashon ta di gran importansia. Un material di katódo ideal mester kumpli ku e siguiente kondishonnan básiko.
(1) Ta poseé un potensial redox haltu, garantisando un voltahe di salida haltu pa e bateria.
(2) Por akomodá mas tantu ion di litio posibel, garantisando un kapasidat haltu di bateria.
(3) Durante e insershon i ekstrakshon di ionnan di litio, e material di katodo por mantené su stabilidat struktural, garantisando asina un bida di siklo largu pa e elektrodo.
(4) Ta poseé konduktividat elektróniko i ion ekselente, redusiendo pèrdida di energia kousa pa efektonan di polarisashon, garantisando asina e kapasidatnan di karga i deskarga rápido di e bateria.
(5) E rango di voltahe di operashon di e bateria mester ta denter di e rango di stabilidat elektrokímiko di e elektrolito, minimalisá asina reakshonnan kímiko innesesario entre e material di elektroda i e elektrolito.
(6) No solamente e mester tin un kosto abou i un proseso di síntesis simpel, pero e mester tambe eksibí un amistat haltu pa medio ambiente.
Ademas, e material di katódo mester demostrá tambe un stabilidat elektrokímiko i termal ekselente.
Materialnan di katódo eksistente por wòrdu dividí prinsipalmente den tres kategoria basá riba nan diferensianan di struktura di kristal: 1 struktura di kapa, manera òksido di kobalt di litio (LiCoO2) i materialnan ternario (LiNiCo, Mni-x-yO2); struktura di olivina, manera fosfato di heru di litio (LiFePO4); òksido di struktura di spinel, manera òksido di manganes di litio (LiMn2O4) i òksido di manganes di nikel di litio (LiNi10.5Mn1.5O4). Diferente tipo di katódo tin diferente densidat di energia, karakterístika elektrokímiko i kosto, hasiendo nan na final adekuá pa diferente tereno i senario di aplikashon. Materialnan di katodo di struktura di kapa ta referí na materialnan di katodo ku un struktura mikrokristalino di kapa, prinsipalmente inkluyendo òksido di kobalt di litio, òksido di manganes kobalt di nikel di litio, i òksido di manganes riku na litio-. Entre nan, òksido di kobalt di litio i òksido di manganes kobalt di nikel di litio ta e materialnan di katodo mas ampliamente usá aktualmente pa bateria di ion di litio den produktonan elektróniko digital i bateria di ion di litio di koriente. Nan ta karakterisá pa un densidat haltu di energia, un rendimentu di siklo ekselente, i un bon rendimentu general, pero e proporshon haltu di metalnan manera nikkel, kobalt i manganes ta kondusí na gastunan mas haltu.
Material di katódo di òksido di kobalt di litio
Óksido di kobalt di litio (LiCoO2) a wòrdu deskubrí pa sientífiko merikano i laureado Nobel den Kímika, JB Goodenough, i a wòrdu merkadeá pa promé biaha pa Sony Corporation di Hapon den añanan 1990. Te awe, òksido di kobalt di litio ta keda un di e materialnan di katódo ku e densidat di energia volumétriko mas haltu. Pa e motibu aki, e ta wòrdu usá ampliamente den produktonan di sèl di saku digital ku ta rekerí un densidat haltu di energia volumétriko, manera telefonnan selular, smartwatch i 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 (>4.45V). Ademas, LiCoO2 ta eksponé konduktividat elektróniko i ióniko relativamente superior, efisiensia di energia, i karakterístika di karga rápido-, kumpliendo ku e rekisitonan di baterianan elektróniko di konsumo aktual i asina tin un rango amplio di aplikashon. A base di e propiedatnan aki, LiCoO2 ta keda un di e mihó materialnan di katódo te awor.
E métodonan prinsipal di síntesis pa òksido di kobalt di litio ta inkluí síntesis di estado sólido-na temperatura haltu, síntesis di sol-gel, i kopresipitashon na temperatura abou-. E sintesis di estado sólido di temperatura haltu- ta enserá meskla di salu di litio i kobalt- ku ta kontené òksido òf hidróksido den un relashon stoikiométriko spesífiko, despues ta kalsiná e meskla na un temperatura adekuá pa un sierto tempu, sigui pa fria, pulverisá i tamizá pa optené e muestra. Aunke e método di síntesis di estado sólido di temperatura haltu- ta wòrdu usá ampliamente den produkshon industrial, e ta tuma hopi tempu, ta rekerí temperaturanan haltu di síntesis, i ta produsí pulvernan grandi i desigualmente homogéneo ku desviashonnan stoikiométriko signifikante, loke ta resultá den un oumento supstansial di kosto.
Materialnan di katódo di fosfato
Na 1997, Goodenough et al. promé a proponé fosfato di heru di litio (LiFePO4) komo un material di katódo pa baterianan di ion di litio-.
Debí na su kosto abou, struktura stabil i seguridat haltu, e material aki a bira gradualmente un di e materialnan di katódo preferí pa bateria di ion di litio den bùsnan eléktriko i sistemanan di almasenamentu di energia.
Fosfato di heru di litio (LiFePO4) ta kompartí un struktura i sistema di kristal similar ku fosfato di heru (FePO4). Esaki ta nifiká ku e material ta eksperensiá kambio di volúmen mínimo durante insershon/ekstrakshon di ion di litio-, preveniendo efektivamente daño di retikulo kousa pa ekspanshon òf kontrakshon di volúmen. Ademas, e karakterístika aki ta garantisá bon kontakto eléktriko entre e partikulonan i aditivonan konduktivo, resultando den stabilidat di siklo ekselente i un durashon di bida largu. Ademas, fosfato di heru di litio ta konosí pa su amistat pa medio ambiente, kosto-efektividat, seguridat ekselente, kapasidat spesífiko haltu (mas o ménos 170 mA·h/g), i plataforma di karga/descarga stabil. Mirando e bentahanan aki, fosfato di heru di litio ta wòrdu konsiderá un eskoho ideal pa materialnan di katodo den aplikashonnan di almasenamentu di energia na gran eskala.
E métodonan ta inkluí prosesonan di sol-gel, téknikanan di kopresipitashon, i síntesis hidrotermal. Spesífikamente, síntesis hidrotermal ta generá direktamente e produkto di meta den un outoklave dor di oumentá temperatura i preshon, usando komponentenan di heru, litio i fósforo fásilmente disponibel komo materia prima. E método aki ta konosí pa su operashon simpel, tamaño di partikulo chikí i uniforme, i konsumo di energia abou. Sinembargo, e tin limitashonnan pa produkshon industrial, prinsipalmente debí na e nesesidat pa kònteinernan spesialmente diseñá ku ta resistí preshon-. Kopresipitashon, di otro banda, ta wòrdu kondusí den un sistema di solushon, kaminda e morfologia di prekursor ta wòrdu afektá pa vários faktor manera konsentrashon, kontrol di temperatura, ahuste di pH, i velosidat di agitashon. Konsiderando e ròl desisivo ku e parameternan aki ta hunga den e rendimentu di e material LiFePO final sinterisá, selekshon kuidadoso di kondishonnan eksperimental ta krusial. Produktonan prepará pa medio di e método aki no solamente ta poseé karakterístikanan di mikrostruktura ekselente (p.e., tamaño di partikulo chikitu i uniforme) pero tambe ta eksponé propiedatnan elektrokímiko superior; sinembargo, ta bale la pena pa menshoná ku henter e proseso di operashon ta relativamente kompleho, i retonan di filtrashon i problemanan di maneho di desperdisio por surgi durante prosesamentu.
Materialnan di katódo basá riba òksido di manganes di litio i manganes riku na litio-
Óksido di manganes di litio
Den e investigashon di materialnan di katódo di bateria di ion di litio-, un otro material di katódo importante i komersialmente disponibel ta e material di katódo di òksido di manganes di litio (LiMn₂O₄) strukturá pa spinel- proponé pa Thackeray et al. na 1983. Spinel-òksido di manganes di litio strukturá ta pertenesé na e sistema di kristal kúbiko. Su komposishon kímiko típiko ta LiMn₂O₄. Den e struktura di kristal LiMn₂O₄, oksígeno ta den un struktura kúbiko será- sentra riba kara-, miéntras ku manganes i oksígeno ta forma un struktura oktaédriko, manera ta mustra den e figura aki bou.
Manganes ta abundante den naturalesa, i e téknikanan di preparashon pa spinel-tipo di òksido di manganes di litio (LiMn2O4) ta eksponé karakterístikanan diverso. E ruta di síntesis i teknologia di prosesamentu di e material ta afektá direktamente e mikrostruktura i desaroyo di grano di e produkto final. P’esei, optimalisá e prosesonan di síntesis aki ta krusial pa mehorá e rendimentu elektrokímiko di materialnan di elektroda den aplikashonnan práktiko. Aktualmente, industria i akademia ta empleá dos tipo prinsipal di método pa prepará LiMn2O4: un ta basá riba e interakshon entre materia prima sólido, manera reakshonnan di estado sólido na temperatura haltu, síntesis asistí pa mikroonda, i tratamentu di impregnashon den medionan di salu smelt.
Un otro kategoria ta enserá transformashon kímiko den un ambiente líkido, ku ehèmpelnan típiko inkluyendo teknologia di sol-gel, síntesis hidrotermal, i téknikanan di kopresipitashon. LiMnzO4 a atraé atenshon generalisá debí na su bentaha di preis, stabilidat termal ekselente, resistensia fuerte na sobrekarga, i bon benefisionan ambiental. Sinembargo, e material aki tin defisiensianan den rendimentu di siklismo i almasenamentu, spesialmente na temperaturanan haltu, kaminda su rendimentu di siklismo ta deteriorá signifikantemente, loke ta kondusí na pèrdida di kapasidat ireversibel.
litio-riku na manganes-basá
Banda di òksido di manganes di litio, materialnan basá riba manganes- riku na litio- a atraé atenshon generalisá komo un material di katódo emergente pa baterianan di ion di litio-.
E métodonan di preparashon pa materialnan di katódo basá riba manganes- riku na litio ta inkluí métodonan di estado sólido, métodonan di sol-gel, i métodonan di ko-presipitashon. E método di estado sólido-ta enserá meskla direktamente òksidonan di metal i karbonatonan di metal òf hidróksidonan di metal den sierto proporshon, sigui pa un reakshon di estado sólido-na temperatura haltu pa optené materialnan riku na litio- den kapa. E bentahanan di e método di estado sólido-ta su abilidat pa sintetisá kantidatnan grandi di materialnan riku na litio-kapa, su método di preparashon relativamente simpel, i su kosto abou. E desbentahanan ta e koefisiente di difushon malu di e sólido durante sinterisashon di estado sólido-, i e echo ku diferente metal di transishon tin diferente tasa di difushon den e reakshon di estado sólido-, hasiendo difísil pa partikulonan difundí sufisiente. P’esei, e uniformidat di e material sintetisá ta malu, loke ta afektá e rendimentu di e material di katódo. E método di sol-gel ta enserá promé agregá un solushon di salu di metal di transishon na un integradó pa forma un sol, despues evaporá e awa pa hasié un gel, i finalmente seku i kalsin’é pa optené materialnan riku na litio- den kapa. E método aki ta duna materialnan ku distribushon uniforme i puresa haltu, i e elektrodanan produsí ta eksponé bon rendimentu elektrokímiko. Sinembargo, su desbentahanan ta inkluí un siklo di fabrikashon largu, e nesesidat pa numeroso integradó (ásido orgániko òf etileno glikol), loke ta resultá den gastunan haltu. Ademas, e materialnan riku na litio-di kapa produsí ta mayoria di partikulonan nano/mikron fini ku un densidat real abou. P'esei, e método aki ta wòrdu usá prinsipalmente den ambientenan di laboratorio pa fabriká materialnan riku na litio- i ta difísil pa komersialisá.
Materialnan di katódo di níkel haltu-
Investigadónan a buska pa hopi tempu kaba stabilidat di temperatura haltu i rendimentu di tarifa ekselente komo e metanan prinsipal ora di desaroyá katódo
materialnan pa bateria di litio-ion. Entre e tres materialnan prinsipal - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), i LiFePO₄ - NCM ta wòrdu konsiderá un di e materialnan di katódo mas prometedor debí na su kapasidat spesífiko relativamente haltu, kapasidat relativamente abou di materia prima, kompará ku su kosto di seguridat superior LiCoO2, i mihó amistat pa medio ambiente i bentahanan di kosto riba materialnan tradishonal.
E tipo di material aki tin e mesun struktura di kristal di kapa tipo -NaFeO₂- i ta pertenesé na e grupo espasial R-3m. E konsepto aki a wòrdu proponé pa promé biaha pa Liu et al. na 1999. E ta kombiná astuto e bentahanan di tres material di katódo - òksido di kobalt di litio (LiCoO2), òksido di nikel di litio (LiNiO2), i òksido di manganes di litio (LiMnO2) - i ta kompensá efektivamente pa e defisiensianan presente den kada material individual (manera ta mustra den Figura 6-5). Dor di ahusta e relashon di e elementonan di metal di transishon, e balansa optimal entre kapasidat spesífiko, rendimentu di siklo, seguridat i kosto por wòrdu alkansá mas aleu.
E struktura di kristal di e material di katódo ternario di òksido di manganes kobalt di nikel di litio (NCM) ta básikamente meskos ku esun di LiCoO2, tur dos ta pertenesé na e struktura di kapa heksagonal.
