Katod moddasi a.dagi litiy ionlarining asosiy manbai hisoblanadilityum{0}}ion batareya. Zaryadlash vaqtida lityum ionlari katod materialining kristall panjarasidan chiqariladi va anod materialiga kiradi; tushirish vaqtida teskarisi sodir bo'ladi. Zaryadlash va zaryadlash paytida katod materialining teskari sig'imi va kuchlanish platosi asosan lityum{2}}ion batareyasining energiya zichligini aniqlaydi. Bundan tashqari, katod materialida litiy, kobalt va nikel kabi metallar borligi sababli, u lityum{4}}ionli batareyalar narxining eng muhim komponentini tashkil qiladi.
Yuqori energiya zichligi, yuqori chiqish kuchlanishi, uzoq xizmat muddati va ishlab chiqarish qulayligi bilan katodli materiallarni ishlab chiqish katta ahamiyatga ega. Ideal katod materiali quyidagi asosiy shartlarga javob berishi kerak.
(1) Batareya uchun yuqori chiqish kuchlanishini ta'minlaydigan yuqori redoks potentsialiga ega.
(2) Yuqori batareya quvvatini ta'minlab, iloji boricha ko'proq lityum ionlarini sig'dira oladi.
(3) Lityum ionlarini kiritish va chiqarish jarayonida katod moddasi o'zining strukturaviy barqarorligini saqlab turishi mumkin, bu esa elektrodning uzoq umrini ta'minlaydi.
(4) Ajoyib elektron va ion o'tkazuvchanligiga ega bo'lib, polarizatsiya ta'siridan kelib chiqadigan energiya yo'qotilishini samarali kamaytiradi va shu bilan batareyaning tez zaryadlash va zaryadsizlanishini ta'minlaydi.
(5) Batareyaning ish kuchlanish diapazoni elektrolitning elektrokimyoviy barqarorligi oralig'ida bo'lishi kerak, bu esa elektrod moddasi va elektrolitlar o'rtasidagi keraksiz kimyoviy reaktsiyalarni minimallashtirishi kerak.
(6) U nafaqat arzon narxlardagi va oddiy sintez jarayoniga ega bo'lishi kerak, balki yuqori ekologik tozalikni ham ko'rsatishi kerak.
Bundan tashqari, katod materiali ham mukammal elektrokimyoviy va termal barqarorlikni namoyish qilishi kerak.
Mavjud katodli materiallarni kristall tuzilishi farqiga ko'ra asosan uchta toifaga bo'lish mumkin: ① qatlamli tuzilish, masalan, litiy kobalt oksidi (LiCoO2) va uchlamchi materiallar (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivin tuzilishi, masalan, lityum temir fosfat (LiFePO4); ③ lityum marganets oksidi (LiMn2O4) va litiy nikel marganets oksidi (LiNi10.5Mn1.5O4) kabi shpinel strukturasi oksidlari. Har xil turdagi katodlar turli xil energiya zichligi, elektrokimyoviy xarakteristikalari va xarajatlariga ega, natijada ularni turli sohalar va qo'llash stsenariylari uchun mos qiladi. Qatlamli struktura katod materiallari qatlamli mikrokristalli tuzilishga ega katod materiallariga, asosan litiy kobalt oksidi, litiy nikel kobalt marganets oksidi va litiy{12}}boy marganets oksidi kiradi. Ular orasida litiy kobalt oksidi va litiy nikel kobalt marganets oksidi hozirda raqamli elektron mahsulotlarda litiy{14}}ionli batareyalar va quvvatli litiy{15}}ionli batareyalar uchun eng ko‘p qo‘llaniladigan katod materiallari hisoblanadi. Ular yuqori energiya zichligi, mukammal aylanish ko'rsatkichlari va yaxshi umumiy ko'rsatkichlar bilan ajralib turadi, ammo nikel, kobalt va marganets kabi metallarning yuqori ulushi yuqori xarajatlarga olib keladi.
Lityum kobalt oksidi katodli material
Litiy kobalt oksidi (LiCoO2) amerikalik olim va kimyo boʻyicha Nobel mukofoti sovrindori J.B.Godenough tomonidan kashf etilgan va birinchi marta 1990-yillarda Yaponiyaning Sony korporatsiyasi tomonidan sotilgan. Bugungi kunda ham lityum kobalt oksidi eng yuqori hajmli energiya zichligiga ega katod materiallaridan biri bo'lib qolmoqda. Shu sababli, u mobil telefonlar, aqlli soatlar va Bluetooth minigarnituralari kabi yuqori hajmli energiya zichligini talab qiladigan raqamli sumkali hujayra mahsulotlarida keng qo'llaniladi.
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). Bundan tashqari, LiCoO2 nisbatan yuqori elektron va ion o‘tkazuvchanligi, quvvat samaradorligi va tez{3}}zaryadlash xususiyatlariga ega bo‘lib, joriy maishiy elektronika akkumulyatorlari talablariga javob beradi va shuning uchun keng ko‘lamli ilovalarga ega. Ushbu xususiyatlarga asoslanib, LiCoO2 hozirgi kunga qadar eng yaxshi katod materiallaridan biri bo'lib qolmoqda.
Litiy kobalt oksidi uchun asosiy sintez usullariga yuqori{0}}haroratli qattiq{1}}holat sintezi, sol-gel sintezi va past-haroratli choʻktirish kiradi. Yuqori{5}}haroratli qattiq holat-holat sintezi litiy tuzlari va kobalt{7}}tarkibida oksidlar yoki gidroksidlarni maʼlum bir stexiometrik nisbatda aralashtirish, soʻngra aralashmani maʼlum vaqt davomida mos haroratda kaltsiylash, soʻngra namunani olish uchun sovutish, maydalash va elakdan oʻtkazishni oʻz ichiga oladi. Yuqori{9}}haroratli qattiq{10}}holat sintezi usuli sanoat ishlab chiqarishida keng qoʻllanilsa-da, u-koʻp vaqt talab qiladi, yuqori sintez temperaturalarini talab qiladi va sezilarli stexiometrik ogʻishlarga ega boʻlgan katta, notekis bir hil kukunlar hosil qiladi, bu esa tannarxning sezilarli darajada oshishiga olib keladi.
Fosfat katodli materiallar
1997 yilda Goodenough va boshqalar. birinchi marta lityum temir fosfat (LiFePO4) lityum-ionli batareyalar uchun katod materiali sifatida taklif qilingan.
Arzon narxi, barqaror tuzilishi va yuqori xavfsizligi tufayli bu material asta-sekin elektr avtobuslari va energiya saqlash tizimlarida litiy{0}}ionli batareyalar uchun afzal qilingan katod materiallaridan biriga aylandi.
Lityum temir fosfat (LiFePO4) temir fosfat (FePO4) bilan o'xshash kristalli tuzilishga va kristall tizimga ega. Bu shuni anglatadiki, litiy{3}}ionini kiritish/chiqarish jarayonida material minimal hajm o‘zgarishini boshdan kechiradi, bu esa hajmning kengayishi yoki qisqarishi natijasida yuzaga keladigan panjara shikastlanishining oldini oladi. Bundan tashqari, bu xususiyat zarrachalar va Supero'tkazuvchilar qo'shimchalar o'rtasida yaxshi elektr aloqasini ta'minlaydi, buning natijasida mukammal aylanish barqarorligi va uzoq umr ko'rish mumkin. Bundan tashqari, litiy temir fosfat ekologik tozaligi, iqtisodiy samaradorligi, mukammal xavfsizligi, yuqori o'ziga xos quvvati (taxminan 170 mA·soat/g) va barqaror zaryadlash/zaryad platformasi bilan mashhur. Ushbu afzalliklarni hisobga olgan holda, lityum temir fosfat katta hajmdagi energiya saqlash ilovalarida katod materiallari uchun ideal tanlov hisoblanadi.
Usullarga sol{0}}gel jarayonlari, koʻp choʻktirish texnikasi va gidrotermal sintez kiradi. Xususan, gidrotermal sintez xom ashyo sifatida tayyor temir, litiy va fosfor birikmalaridan foydalangan holda harorat va bosimni oshirish orqali avtoklavda maqsadli mahsulotni bevosita hosil qiladi. Ushbu usul oddiy ishlashi, kichik va bir xil zarracha hajmi va kam energiya sarfi bilan mashhur. Biroq, birinchi navbatda, maxsus mo'ljallangan bosimga chidamli idishlarga ehtiyoj tufayli sanoat ishlab chiqarishida cheklovlar mavjud. Boshqa tomondan, cho'ktirish eritma tizimida amalga oshiriladi, bu erda prekursor morfologiyasiga kontsentratsiya, haroratni nazorat qilish, pH sozlamalari va aralashtirish tezligi kabi turli omillar ta'sir qiladi. Yakuniy sinterlangan LiFePO materialining ishlashida ushbu parametrlarning hal qiluvchi rolini hisobga olgan holda, eksperimental sharoitlarni diqqat bilan tanlash juda muhimdir. Ushbu usul bilan tayyorlangan mahsulotlar nafaqat mukammal mikro tuzilish xususiyatlariga (ya'ni, kichik va bir xil zarrachalar hajmi) ega, balki yuqori elektrokimyoviy xususiyatlarni ham namoyish etadi; ammo shuni ta'kidlash joizki, butun operatsiya jarayoni nisbatan murakkab va filtrlash muammolari va qayta ishlash jarayonida chiqindilarni boshqarish bilan bog'liq muammolar paydo bo'lishi mumkin.
Litiy marganets oksidi va litiyga{0}}boy marganets-asosidagi katodli materiallar
Lityum marganets oksidi
Lityum{0}}ionli akkumulyatorli katod materiallarini tadqiq qilishda yana bir muhim va tijoratda mavjud boʻlgan katod materiali Thackeray va boshqalar tomonidan taklif qilingan shpinel tuzilmali litiy marganets oksidi (LiMn₂O₄) katod materialidir. 1983 yilda. Spinel{4}}tuzilgan litiy marganets oksidi kubik kristall sistemaga tegishli. Uning tipik kimyoviy tarkibi LiMn₂O₄. LiMn₂O₄ kristalli strukturasida kislorod yuz{7}}markazlangan kubik{8}}oʻralgan strukturada, marganets va kislorod esa quyidagi rasmda koʻrsatilganidek, oktaedr tuzilmani hosil qiladi.
Marganets tabiatda juda ko'p va shpinel{0}}tipli litiy marganets oksidi (LiMn2O4) ni tayyorlash usullari turli xil xususiyatlarga ega. Sintez yo'nalishi va materialni qayta ishlash texnologiyasi yakuniy mahsulotning mikro tuzilishi va don rivojlanishiga bevosita ta'sir qiladi. Shu sababli, ushbu sintez jarayonlarini optimallashtirish elektrod materiallarining elektrokimyoviy ko'rsatkichlarini amaliy dasturlarda yaxshilash uchun juda muhimdir. Hozirgi vaqtda sanoat va ilmiy doiralarda LiMn2O4 ni tayyorlashning ikkita asosiy usuli keng qoʻllaniladi: biri qattiq xomashyo oʻrtasidagi oʻzaro taʼsirga asoslangan, masalan, yuqori{8}}qattiq holatdagi reaksiyalar, mikrotoʻlqinli{10}yordamli sintez va erigan tuz muhitida emdirish bilan ishlov berish.
Yana bir turkumga suyuq muhitda kimyoviy transformatsiya kiradi, bunda sol-gel texnologiyasi, gidrotermik sintez va koʻp choʻktirish usullari kiradi. LiMnzO4 o'zining narx ustunligi, mukammal termal barqarorligi, kuchli haddan tashqari zaryadga chidamliligi va yaxshi ekologik foydalari tufayli keng e'tiborni tortdi. Biroq, bu material velosipedda ishlash va saqlash ko'rsatkichlarida, ayniqsa, yuqori haroratlarda kamchiliklarga ega bo'lib, uning velosiped ishlashi sezilarli darajada yomonlashadi, bu esa qaytarib bo'lmaydigan quvvatni yo'qotishiga olib keladi.
litiy-boy marganets-asosida
Litiy marganets oksidi bilan bir qatorda qatlamli litiy{0}}marganetsga{1}}asoslangan materiallar litiy-ionli batareyalar uchun yangi paydo bo'lgan katod materiali sifatida keng e'tiborni tortdi.
Litiyga-boy marganets-asosidagi katodli materiallarni tayyorlash usullariga qattiq{2}}holat usullari, sol-gel usullari va ko{4}}choʻktirish usullari kiradi. Qattiq holat usuli metall oksidlari va metall karbonatlari yoki metall gidroksidlarini ma'lum nisbatda to'g'ridan-to'g'ri aralashtirishni o'z ichiga oladi, so'ngra qatlamli litiyga-ko'p bo'lgan materiallarni olish uchun yuqori{7}}haroratli qattiq{8}}holat reaktsiyasi amalga oshiriladi. Qattiq xolat usulining afzalliklari uning katta miqdordagi qatlamli litiyga-boyi materiallarni sintez qilish qobiliyati, nisbatan sodda tayyorlash usuli va arzonligidir. Kamchiliklari shundaki, qattiq holatdagi sinterlashda qattiq moddaning yomon diffuziya koeffitsienti-va turli oʻtish metallari qattiq holatdagi reaksiyada har xil diffuziya tezligiga ega boʻlib{15}}zarrachalarning yetarli darajada tarqalishini qiyinlashtiradi. Shuning uchun sintez qilingan materialning bir xilligi yomon, bu katod materialining ishlashiga ta'sir qiladi. Sol{18}}gel usuli avval integratorga oʻtish metall tuzi eritmasini qoʻshib, eritma hosil qilishni, soʻngra suvni bugʻlanib, gel holga keltirishni va nihoyat, qatlamli litiyga-koʻp boʻlgan materiallarni olish uchun quritib, kaltsiylashni oʻz ichiga oladi. Ushbu usul bir xil taqsimot va yuqori tozalikka ega bo'lgan materiallarni beradi va ishlab chiqarilgan elektrodlar yaxshi elektrokimyoviy ko'rsatkichlarni namoyish etadi. Biroq, uning kamchiliklari uzoq ishlab chiqarish tsiklini, ko'plab integratorlarga (organik kislotalar yoki etilen glikol) ehtiyojni o'z ichiga oladi, bu esa yuqori xarajatlarga olib keladi. Bundan tashqari, ishlab chiqarilgan qatlamli litiy{23}}boyi materiallar asosan past haqiqiy zichlikka ega boʻlgan nozik nano/mikron zarrachalardir. Shuning uchun bu usul hozirda asosan litiyga boy qatlamli{25}}materiallarni ishlab chiqarish uchun laboratoriya sharoitlarida qo‘llaniladi va tijoratlashtirish qiyin.
Yuqori-nikelli katodli materiallar
Tadqiqotchilar uzoq vaqtdan beri katodni yaratishda asosiy maqsad sifatida yuqori{0}}harorat barqarorligi va a'lo darajadagi ishlashga intilishgan.
litiy{0}}ion batareyalar uchun materiallar. Uchta asosiy materiallar orasida - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM) va LiFePO₄ - NCM nisbatan yuqori o'ziga xos sig'imi, nisbatan past xom ashyo narxi, ekologik xavfsizligi va LiCo bilan taqqoslaganda eng istiqbolli katod materiallaridan biri hisoblanadi. an'anaviy materiallarga nisbatan afzalliklari.
Bu turdagi materiallar bir xil -NaFeO₂-turi qatlamli kristall tuzilishga ega va R-3m kosmik guruhiga kiradi. Bu kontseptsiya birinchi marta Liu va boshqalar tomonidan taklif qilingan. 1999-yilda. U uchta katodli materiallarning afzalliklarini aqlli ravishda birlashtiradi - litiy kobalt oksidi (LiCoO₂), litiy nikel oksidi (LiNiO₂) va litiy marganets oksidi (LiMnO₂) va har bir material uchun 6-rasmda ko'rsatilgan qisqartmalarni samarali qoplaydi. O'tish metall elementlarining nisbatlarini sozlash orqali o'ziga xos quvvat, tsiklning ishlashi, xavfsizligi va narxi o'rtasidagi optimal muvozanatga yanada erishish mumkin.
Lityum nikel kobalt marganets oksidi (NCM) uchlik katod materialining kristall tuzilishi asosan LiCoO2 bilan bir xil bo'lib, ikkalasi ham olti burchakli qatlamli tuzilishga tegishli.
