Ang cathode nga materyal mao ang nag-unang tinubdan sa lithium ions sa alithium{0}}ion nga baterya. Atol sa pag-charge, ang mga lithium ions makuha gikan sa kristal nga lattice sa materyal nga cathode ug mosulod sa anode nga materyal; ang kabaliktaran mahitabo sa panahon sa pagdiskarga. Ang mabalik nga kapasidad ug boltahe nga patag sa cathode nga materyal sa panahon sa pag-charge ug pagdiskarga sa dakong bahin nagtino sa densidad sa enerhiya sa lithium-ion nga baterya. Dugang pa, tungod kay ang cathode nga materyal adunay mga metal sama sa lithium, cobalt, ug nickel, kini naglangkob sa labing mahinungdanon nga bahin sa gasto sa usa ka lithium-ion nga baterya.
Ang pagpalambo sa mga materyales sa cathode nga adunay taas nga densidad sa enerhiya, taas nga boltahe sa output, taas nga serbisyo sa kinabuhi, ug kasayon sa paghimo usa ka dako nga kahulogan. Ang usa ka sulundon nga materyal sa cathode kinahanglan nga makab-ot ang mosunod nga sukaranan nga mga kondisyon.
(1) Adunay taas nga potensyal nga redox, nga nagsiguro sa taas nga boltahe sa output alang sa baterya.
(2) Maka-accommodate sa daghang mga lithium ions kutob sa mahimo, pagsiguro sa taas nga kapasidad sa baterya.
(3) Atol sa pagsal-ot ug pagkuha sa mga lithium ions, ang cathode nga materyal makapadayon sa iyang structural nga kalig-on, sa ingon pagsiguro sa usa ka taas nga siklo sa kinabuhi alang sa electrode.
(4) Nagbaton og maayo kaayo nga electronic ug ion conductivity, epektibo nga pagkunhod sa pagkawala sa enerhiya tungod sa polarization nga mga epekto, sa ingon nagsiguro sa paspas nga pag-charge ug pagdiskarga sa baterya.
(5) Ang operating voltage range sa baterya kinahanglang naa sa sulod sa electrochemical stability range sa electrolyte, sa ingon mamenosan ang dili kinahanglan nga kemikal nga mga reaksiyon tali sa electrode material ug sa electrolyte.
(6) Dili lamang kini kinahanglan nga adunay ubos nga gasto ug usa ka yano nga proseso sa pag-synthesis, apan kinahanglan usab nga magpakita sa taas nga pagkamahigalaon sa kinaiyahan.
Dugang pa, ang materyal nga cathode kinahanglan usab magpakita nga maayo kaayo nga electrochemical ug thermal stability.
Ang naglungtad nga mga materyales sa cathode mahimong bahinon sa tulo ka mga kategorya base sa ilang mga kalainan sa kristal nga istruktura: ① layered structure, sama sa lithium cobalt oxide (LiCoO2) ug ternary nga materyales (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivine nga istruktura, sama sa lithium iron phosphate (LiFePO4); ③ spinel structure oxides, sama sa lithium manganese oxide (LiMn2O4) ug lithium nickel manganese oxide (LiNi10.5Mn1.5O4). Ang lain-laing mga matang sa mga cathodes adunay lain-laing mga densidad sa enerhiya, electrochemical nga mga kinaiya, ug mga gasto, sa katapusan naghimo kanila nga angay alang sa lain-laing mga natad ug aplikasyon nga mga sitwasyon. Layered structure cathode nga mga materyales nagtumong sa cathode nga mga materyales nga adunay layered microcrystalline structure, kasagaran naglakip sa lithium cobalt oxide, lithium nickel cobalt manganese oxide, ug lithium{12}}rich manganese oxide. Taliwala niini, ang lithium cobalt oxide ug lithium nickel cobalt manganese oxide mao ang labing kaylap nga gigamit nga mga materyales sa cathode alang sa lithium{14}}ion nga mga baterya sa digital electronic nga mga produkto ug power lithium{15}}ion nga mga baterya. Sila gihulagway pinaagi sa taas nga densidad sa enerhiya, maayo kaayo nga cycle performance, ug maayo nga kinatibuk-ang performance, apan ang taas nga proporsyon sa mga metal sama sa nickel, cobalt, ug manganese mosangpot sa mas taas nga gasto.
Lithium cobalt oxide cathode nga materyal
Ang Lithium cobalt oxide (LiCoO2) nadiskobrehan sa Amerikanong siyentipiko ug Nobel laureate sa Chemistry, JB Goodenough, ug unang gipamaligya sa Sony Corporation sa Japan niadtong 1990s. Bisan karon, ang lithium cobalt oxide nagpabilin nga usa sa mga materyales sa cathode nga adunay labing kataas nga volumetric energy density. Tungod niini, kaylap nga gigamit kini sa mga produkto sa digital pouch cell nga nanginahanglan taas nga volumetric energy density, sama sa mga mobile phone, smartwatches, ug Bluetooth headset.
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). Dugang pa, ang LiCoO2 nagpakita nga mas maayo nga electronic ug ionic conductivity, power efficiency, ug paspas nga -charging nga mga kinaiya, nga nagtagbo sa mga kinahanglanon sa kasamtangang consumer electronics nga mga baterya ug sa ingon adunay daghang mga aplikasyon. Base sa kini nga mga kabtangan, ang LiCoO2 nagpabilin nga usa sa labing kaayo nga mga materyales sa cathode hangtod karon.
Ang nag-unang mga pamaagi sa synthesis alang sa lithium cobalt oxide naglakip sa taas nga-temperatura solid-state synthesis, sol-gel synthesis, ug ubos nga-temperatura nga coprecipitation. Ang taas nga-temperatura nga solid-state synthesis naglakip sa pagsagol sa lithium salts ug cobalt-nga adunay mga oxide o hydroxides sa usa ka espesipikong stoichiometric ratio, dayon calcining sa sagol sa usa ka angay nga temperatura sa usa ka piho nga panahon, gisundan sa pagpabugnaw, pagpulbos, ug pag-ayag aron makuha ang sample. Bisan tuod ang taas nga-temperatura nga solid-nga pamaagi sa synthesis kay kaylap nga gigamit sa industriyal nga produksiyon, kini{11}}nag-usik sa panahon, nanginahanglan ug taas nga temperatura sa synthesis, ug nagpatunghag dagko, dili patas nga homogeneous nga mga pulbos nga adunay mahinungdanong stoichiometric deviations, nga miresulta sa dakong pagtaas sa gasto.
Phosphate cathode nga mga materyales
Niadtong 1997, Goodenough et al. unang gisugyot nga lithium iron phosphate (LiFePO4) isip cathode material para sa lithium{3}}ion nga mga baterya.
Tungod sa ubos nga gasto, lig-on nga istruktura, ug taas nga kaluwasan, kini nga materyal hinay-hinay nga nahimo nga usa sa gipalabi nga mga materyales sa cathode alang sa lithium-ion nga mga baterya sa mga electric bus ug mga sistema sa pagtipig sa enerhiya.
Ang Lithium iron phosphate (LiFePO4) adunay parehas nga istruktura sa kristal ug sistema sa kristal nga adunay iron phosphate (FePO4). Kini nagpasabot nga ang materyal makasinati ug gamay nga pagbag-o sa volume atol sa lithium-ion insertion/extraction, epektibong makapugong sa lattice damage tungod sa volume expansion o contraction. Dugang pa, kini nga kinaiya nagsiguro sa maayo nga kontak sa elektrisidad tali sa mga partikulo ug conductive additives, nga nagresulta sa maayo kaayo nga kalig-on sa siklo ug taas nga kinabuhi. Dugang pa, ang lithium iron phosphate nabantog tungod sa pagkamahigalaon sa kinaiyahan, pagkaepektibo sa -gasto, maayo kaayo nga kaluwasan, taas nga espesipikong kapasidad (gibana-bana nga 170 mA·h/g), ug stable nga plataporma sa pagkarga/pagdiskarga. Tungod niini nga mga bentaha, ang lithium iron phosphate giisip nga usa ka sulundon nga kapilian alang sa mga materyales sa cathode sa dagkong-mga aplikasyon sa pagtipig sa enerhiya.
Ang mga pamaagi naglakip sa mga proseso sa sol-gel, mga teknik sa corecipitation, ug hydrothermal synthesis. Sa partikular, ang hydrothermal synthesis direkta nga nagmugna sa target nga produkto sa usa ka autoclave pinaagi sa pagdugang sa temperatura ug presyur, gamit ang dali nga magamit nga iron, lithium, ug phosphorus compound ingon hilaw nga materyales. Kini nga pamaagi nailhan tungod sa yano nga operasyon, gamay ug parehas nga gidak-on sa partikulo, ug ubos nga konsumo sa enerhiya. Bisan pa, kini adunay mga limitasyon alang sa industriyal nga produksiyon, nag-una tungod sa panginahanglan alang sa espesyal nga gidisenyo nga pressure-resistant nga mga sudlanan. Ang coprecipitation, sa laing bahin, gihimo sa usa ka sistema sa solusyon, diin ang precursor morphology naapektuhan sa lainlaing mga hinungdan sama sa konsentrasyon, pagkontrol sa temperatura, pag-adjust sa pH, ug rate sa pagpalihok. Tungod sa mahukmanon nga papel nga gidula sa kini nga mga parameter sa paghimo sa katapusang sintered nga materyal nga LiFePO, ang mabinantayon nga pagpili sa mga kondisyon sa eksperimento hinungdanon. Ang mga produkto nga giandam niini nga pamaagi dili lamang adunay maayo kaayo nga microstructure nga mga kinaiya (ie, gamay ug uniporme nga gidak-on sa partikulo) apan nagpakita usab og labaw nga electrochemical properties; bisan pa, angay nga hinumdoman nga ang tibuuk nga proseso sa operasyon medyo komplikado, ug ang mga hagit sa pagsala ug mga isyu sa pagdumala sa basura mahimong motungha sa panahon sa pagproseso.
Lithium manganese oxide ug lithium-dagaya nga manganese-mga materyales sa cathode
Lithium manganese oxide
Sa pagpanukiduki sa lithium-ion battery cathode materials, laing importante ug commercially available cathode material mao ang spinel-structured lithium manganese oxide (LiMn₂O₄) cathode material nga gisugyot ni Thackeray et al. niadtong 1983. Spinel-structured lithium manganese oxide iya sa cubic crystal system. Ang tipikal nga kemikal nga komposisyon niini mao ang LiMn₂O₄. Sa LiMn₂O₄ kristal nga gambalay, oksiheno anaa sa usa ka nawong-nakasentro kubiko duol{8}}naputos nga estraktura, samtang ang manganese ug oksiheno nagporma og octahedral nga istruktura, sama sa gipakita sa hulagway sa ubos.
Abunda ang manganese sa kinaiyahan, ug ang mga pamaagi sa pag-andam sa spinel-type nga lithium manganese oxide (LiMn2O4) nagpakita ug lain-laing mga kinaiya. Ang ruta sa synthesis ug teknolohiya sa pagproseso sa materyal direkta nga makaapekto sa microstructure ug pag-uswag sa lugas sa katapusan nga produkto. Busa, ang pag-optimize sa kini nga mga proseso sa synthesis hinungdanon alang sa pagpaayo sa electrochemical performance sa mga materyales sa electrode sa praktikal nga mga aplikasyon. Sa pagkakaron, ang industriya ug akademya kaylap nga naggamit ug duha ka nag-unang matang sa mga pamaagi sa pag-andam sa LiMn2O4: ang usa gibase sa interaksyon tali sa solid nga hilaw nga materyales, sama sa taas nga-temperatura nga solid-reaksyon sa estado, microwave-assisted synthesis, ug impregnation treatment sa molten salt media.
Ang laing kategorya naglakip sa kemikal nga pagbag-o sa usa ka likido nga palibot, nga adunay tipikal nga mga pananglitan lakip ang sol-gel nga teknolohiya, hydrothermal synthesis, ug mga teknik sa coprecipitation. Ang LiMnzO4 nakadani sa kaylap nga atensyon tungod sa bentaha sa presyo, maayo kaayo nga kalig-on sa thermal, kusog nga pagsukol sa sobra nga bayad, ug maayong mga benepisyo sa kinaiyahan. Bisan pa, kini nga materyal adunay mga kakulangan sa pasundayag sa pagbisikleta ug pagtipig, labi na sa taas nga temperatura, kung diin ang pasundayag sa pagbisikleta niini nagkagrabe, nga nagdala sa pagkawala sa kapasidad nga dili mabalik.
lithium-dagaya nga manganese-base
Gawas sa lithium manganese oxide, ang layered nga lithium-rich manganese-nga mga materyales nga gibase sa nakadani sa kaylap nga pagtagad isip usa ka emerging cathode material para sa lithium-ion nga mga baterya.
Ang mga pamaagi sa pag-andam alang sa lithium-rich manganese-based cathode nga mga materyales naglakip sa solid-state method, sol-gel method, ug co-precipitation method. Ang pamaagi sa solid-estado naglangkit sa direkta nga pagsagol sa mga metal oxide ug metal carbonates o metal hydroxides sa usa ka piho nga proporsiyon, gisundan sa taas nga-temperatura nga solid-reaksyon sa estado aron makakuha og layered lithium-dagaya nga mga materyales. Ang mga bentaha sa solid{11}}estado nga pamaagi mao ang abilidad niini sa pag-synthesize sa daghang gidaghanon sa mga layered lithium{12}}abunda nga materyales, ang medyo simple nga paagi sa pag-andam niini, ug ang ubos nga gasto niini. Ang mga disbentaha mao ang dili maayo nga diffusion coefficient sa solid atol sa solid{14}}state sintering, ug ang kamatuoran nga lain-laing transition metal adunay lain-laing mga diffusion rate sa solid{15}}state reaction, nga nagpalisud sa mga partikulo sa pagsabwag og igo. Busa, ang pagkaparehas sa gi-synthesize nga materyal dili maayo, nga makaapekto sa paghimo sa materyal nga cathode. Ang pamaagi sa sol-gel naglakip una sa pagdugang ug transisyon nga metal salt solution ngadto sa usa ka integrator aron mahimong sol, dayon pag-evaporate sa tubig aron mahimo kini nga gel, ug sa katapusan pagpauga ug pag-calcine niini aron makakuha og layered lithium-rich materials. Kini nga pamaagi naghatag og mga materyales nga adunay uniporme nga pag-apod-apod ug taas nga kaputli, ug ang mga electrodes nga gihimo nagpakita sa maayo nga electrochemical performance. Bisan pa, ang mga kakulangan niini naglakip sa usa ka taas nga siklo sa paghimo, ang panginahanglan alang sa daghang mga integrator (organic acid o ethylene glycol), nga miresulta sa taas nga gasto. Dugang pa, ang giprodyus nga layered lithium-abunda nga mga materyales kasagaran maayo nga nano/micron nga mga partikulo nga adunay ubos nga aktuwal nga densidad. Busa, kini nga pamaagi kay gigamit karon sa mga setting sa laboratoryo para sa paggama og layered lithium-rich materials ug lisud i-commercialize.
Taas nga-nickel cathode nga mga materyales
Ang mga tigdukiduki dugay nang nangita og taas nga-temperatura nga kalig-on ug maayo kaayo nga performance sa rate isip nag-unang tumong sa paghimo og cathode
materyales para sa lithium-ion nga mga baterya. Taliwala sa tulo ka dagkong mga materyales - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), ug LiFePO₄ - NCM gikonsiderar nga usa sa labing maayong mga materyales sa cathode tungod sa medyo taas nga espesipikong kapasidad niini, medyo ubos ang gasto sa hilaw nga materyal₂, mas maayo nga kahilwasan sa kinaiyahan kon itandi sa LiCoO nga mga materyales ug mas maayo nga kaayohan sa kinaiyahan kon itandi sa LiCoO
Kini nga klase sa materyal adunay parehas nga -NaFeO₂-type nga layered nga kristal nga istruktura ug nahisakop sa R-3m space group. Kini nga konsepto unang gisugyot ni Liu et al. sa 1999. Maalamon nga gikombinar niini ang mga bentaha sa tulo ka mga materyales sa cathode - lithium cobalt oxide (LiCoO₂), lithium nickel oxide (LiNiO₂), ug lithium manganese oxide (LiMnO₂) - ug epektibong makabawi sa mga kakulangan nga anaa sa matag indibidwal nga materyal (sama sa gipakita sa Figure 5-6). Pinaagi sa pag-adjust sa ratio sa mga elemento sa transisyon nga metal, ang kamalaumon nga balanse sa piho nga kapasidad, pasundayag sa siklo, kaluwasan, ug gasto mahimo pa nga makab-ot.
Ang kristal nga istruktura sa lithium nickel cobalt manganese oxide (NCM) ternary cathode nga materyal kay pareho ra sa LiCoO2, pareho sa hexagonal layered structure.
