Is e an stuth catod am prìomh thùs de ianan lithium ann an abataraidh ian lithium-. Nuair a bhios tu a’ cur cosgais, bidh ianan lithium air an toirt a-mach à cliath criostal an stuth catod agus a’ dol a-steach don stuth anod; bidh an cùl a’ tachairt aig àm sgaoileadh. Tha comas reversible agus àrdchlàr bholtachd an stuth catod aig àm cosgais agus sgaoileadh gu ìre mhòr a’ dearbhadh dùmhlachd lùth a ’bhataraidh lithium-ion. A bharrachd air an sin, leis gu bheil meatailtean mar lithium, cobalt, agus nicil anns an stuth catod, is e seo am pàirt as cudromaiche de chosgais bataraidh lithium-ion.
Tha e air leth cudromach a bhith a’ leasachadh stuthan catod le dùmhlachd lùth àrd, bholtadh toraidh àrd, beatha seirbheis fhada, agus furasta an dèanamh. Bu chòir stuth catod air leth math coinneachadh ris na cumhaichean bunaiteach a leanas.
(1) Tha comas àrd redox aige, a’ dèanamh cinnteach à bholtadh toraidh àrd airson a’ bhataraidh.
(2) Gabhaidh e uiread de ianan lithium 's as urrainn, a' dèanamh cinnteach gu bheil comas bataraidh àrd ann.
(3) Nuair a thèid ions lithium a chuir a-steach agus a thoirt a-mach, faodaidh an stuth catod a sheasmhachd structarail a chumail suas, mar sin a’ dèanamh cinnteach gum bi beatha rothaireachd fada airson an dealan.
(4) A ’sealbhachadh giùlan dealanach is ian sàr-mhath, gu h-èifeachdach a’ lughdachadh call lùtha air adhbhrachadh le buaidhean polarachaidh, mar sin a ’dèanamh cinnteach à cosgais luath agus comasan sgaoilidh a’ bhataraidh.
(5) Bu chòir raon bholtachd obrachaidh a ’bhataraidh a bhith taobh a-staigh raon seasmhachd electrochemical an electrolyte, agus mar sin a’ lughdachadh ath-bheachdan ceimigeach neo-riatanach eadar an stuth electrode agus an electrolyte.
(6) Chan e a-mhàin gum bu chòir cosgais ìseal agus pròiseas sìmplidh sìmplidh a bhith aige, ach bu chòir dha cuideachd càirdeas àrainneachd àrd a nochdadh.
A bharrachd air an sin, bu chòir don stuth catod cuideachd seasmhachd electrochemical agus teirmeach sàr-mhath a nochdadh.
Faodar stuthan catod gnàthaichte a roinn sa mhòr-chuid ann an trì roinnean stèidhichte air na h-eadar-dhealachaidhean structar criostail aca: ① structar le sreathan, leithid lithium cobalt oxide (LiCoO2) agus stuthan ternary (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivine structar, leithid lithium iarann phosphate (LiFePO4); ③ ocsaidean structar spinel, leithid lithium manganese oxide (LiMn2O4) agus lithium nicil manganese oxide (LiNi10.5Mn1.5O4). Tha dùmhlachd lùtha eadar-dhealaichte, feartan electrochemical, agus cosgaisean aig diofar sheòrsaichean catodes, aig a’ cheann thall gan dèanamh freagarrach airson diofar raointean agus suidheachaidhean tagraidh. Tha stuthan cathod structar sreathach a 'toirt iomradh air stuthan catod le structar microcrystalline le sreathan, gu h-àraidh a' gabhail a-steach lithium cobalt oxide, lithium nicil cobalt manganese oxide, agus lithium -manganese oxide beairteach. Nam measg, is e lithium cobalt oxide agus lithium nikel cobalt manganese oxide an-dràsta na stuthan catod as motha a chleachdar airson bataraidhean lithium ann am bathar dealanach didseatach agus bataraidhean lithium cumhachd. Tha iad air an comharrachadh le dùmhlachd lùth àrd, coileanadh rothaireachd sàr-mhath, agus coileanadh math san fharsaingeachd, ach tha an ìre àrd de mheatailtean leithid nicil, cobalt, agus manganese a’ leantainn gu cosgaisean nas àirde.
Stuth catode lithium cobalt oxide
Chaidh Lithium cobalt oxide (LiCoO2) a lorg leis an neach-saidheans Ameireaganach agus labhraiche Nobel ann an Ceimigeachd, JB Goodenough, agus chaidh a mhargaidheachd an toiseach le Sony Corporation of Japan anns na 1990n. Fiù ‘s an-diugh, tha lithium cobalt oxide fhathast mar aon de na stuthan catod leis an dùmhlachd lùth as àirde. Air an adhbhar seo, tha e air a chleachdadh gu farsaing ann am bathar didseatach pòcaid cealla a dh ’fheumas dùmhlachd lùth àrd tomhas-lìonaidh, leithid fònaichean-làimhe, smartwatches, agus fònaichean-cluaise 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). A bharrachd air an sin, tha LiCoO2 a’ taisbeanadh giùlan dealanach is ionic an ìre mhath nas fheàrr, èifeachdas cumhachd, agus feartan cosgais luath, a’ coinneachadh ri riatanasan bataraidhean dealanach luchd-cleachdaidh gnàthach agus mar sin le raon farsaing de thagraidhean. Stèidhichte air na togalaichean sin, tha LiCoO2 fhathast mar aon de na stuthan catod as fheàrr gu ruige seo.
Tha na prìomh dhòighean synthesis airson lithium cobalt oxide a’ toirt a-steach synthesis stàite àrd-teòthachd, synthesis gel sol, agus coprecipitation aig teòthachd ìosal. Tha an synthesis stàite àrd-teodhachd làidir a’ toirt a-steach measgachadh salainn lithium agus cobalt anns a bheil ocsaidean no hydroxides ann an co-mheas stoichiometric sònraichte, agus an uairsin a’ calcination a ’mheasgachaidh aig teòthachd iomchaidh airson ùine sònraichte, air a leantainn le fuarachadh, pulverizing, agus criathradh gus an sampall fhaighinn. Ged a tha an dòigh synthesis stàite àrd teòthachd àrd air a chleachdadh gu farsaing ann an cinneasachadh gnìomhachais, tha e a’ caitheamh ùine, tha feum air teòthachd àrd synthesis, agus bidh e a’ toirt a-mach pùdaran mòra, neo-chothromach aon-ghnèitheach le gluasadan mòra stoichiometric, a’ leantainn gu àrdachadh mòr ann an cosgais.
Stuthan catod phosphate
Ann an 1997, rinn Goodenough et al. an toiseach a chaidh a mholadh le lithium iarann phosphate (LiFePO4) mar stuth catod airson bataraidhean lithium-ion.
Air sgàth a chosgais ìseal, structar seasmhach, agus sàbhailteachd àrd, tha an stuth seo air fàs mar aon de na stuthan catod as fheàrr leotha airson bataraidhean lithium ann am busaichean dealain agus siostaman stòraidh lùtha.
Tha fosfáit iarainn lithium (LiFePO4) a 'roinn structar criostail coltach ris agus siostam criostail le fosfáit iarainn (FePO4). Tha seo a’ ciallachadh nach bi an stuth a’ faighinn ach glè bheag de dh’ atharrachadh meud aig àm cuir a-steach/tarraing ion lithium-, a’ cur casg gu h-èifeachdach air milleadh leusair air adhbhrachadh le leudachadh meud no giorrachadh. A bharrachd air an sin, tha am feart seo a ’dèanamh cinnteach à deagh cheangal dealain eadar na gràineanan agus stuthan cur-ris giùlain, a’ leantainn gu seasmhachd rothaireachd sàr-mhath agus beatha fhada. A bharrachd air an sin, tha lithium iarann phosphate ainmeil airson a bhith càirdeil don àrainneachd, cosgais- èifeachdas, sàbhailteachd sàr-mhath, comas sònraichte àrd (timcheall air 170 mA · h / g), agus àrd-ùrlar cosgais / sgaoilidh seasmhach. Leis na buannachdan sin, tha lithium iarann phosphate air a mheas mar dheagh roghainn airson stuthan catod ann an cleachdadh stòraidh lùth mòr.
Tha na modhan a’ toirt a-steach pròiseasan sol-gel, dòighean copaidh, agus synthesis hydrothermal. Gu sònraichte, bidh synthesis hydrothermal gu dìreach a’ gineadh an toradh targaid ann an autoclave le bhith ag àrdachadh teòthachd agus cuideam, a ’cleachdadh todhar iarainn, lithium, agus fosfair a tha rim faighinn gu furasta mar stuthan amh. Tha an dòigh seo ainmeil airson a bhith ag obair gu sìmplidh, meud gràinean beaga agus èideadh, agus caitheamh lùth ìosal. Ach, tha cuingealachaidhean ann airson cinneasachadh tionnsgalach, gu h-àraidh air sgàth an fheum air soithichean dìon-cuideam a chaidh a dhealbhadh gu sònraichte. Tha coprecipitation, air an làimh eile, air a dhèanamh ann an siostam fuasglaidh, far a bheil grunn nithean a’ toirt buaidh air morf-eòlas ro-làimh leithid dùmhlachd, smachd teothachd, atharrachadh pH, agus ìre gluasad. Leis an àite chinnteach a tha aig na paramadairean sin ann an coileanadh an stuth LiFePO sintered deireannach, tha taghadh faiceallach de shuidheachaidhean deuchainneach deatamach. Chan e a-mhàin gu bheil feartan microstructure sàr-mhath aig toraidhean a chaidh ullachadh leis an dòigh seo (ie, meud mìrean beaga agus èideadh) ach tha iad cuideachd a ’nochdadh feartan electrochemical adhartach; ge-tà, is fhiach a bhith mothachail gu bheil am pròiseas obrachaidh gu lèir caran toinnte, agus faodaidh dùbhlain sìoltachaidh agus cùisean riaghladh sgudail èirigh aig àm giollachd.
Stuthan catod stèidhichte air lithium manganese ocsaid agus lithium-manganese beairteach-
Lithium manganese oxide
Ann an rannsachadh stuthan catod bataraidh lithium-, is e stuth catod eile a tha cudromach agus a tha ri fhaighinn gu malairteach an stuth catod lithium manganese oxide structaraichte spinel (LiMn₂O₄) a mhol Thackeray et al. ann an 1983. Buinidh spinel don t-siostam criostal ciùbach. Is e an co-dhèanamh ceimigeach àbhaisteach aige LiMn₂O₄. Ann an structar criostal LiMn₂O₄, tha ocsaidean ann an structar pacaichte dlùth-chiùbach dlùth-, agus tha manganese agus ocsaidean a’ cruthachadh structar octahedral, mar a chithear san fhigear gu h-ìosal.
Tha manganese pailt ann an nàdar, agus tha feartan eadar-dhealaichte aig na dòighean ullachaidh airson spinel-seòrsa lithium manganese oxide (LiMn2O4). Bidh an t-slighe synthesis agus teicneòlas giollachd an stuth a ’toirt buaidh dhìreach air microstructure agus leasachadh gràin an toraidh deireannach. Mar sin, tha an fheum as fheàrr de na pròiseasan sintéise deatamach airson coileanadh electrochemical stuthan electrode a leasachadh ann an tagraidhean practaigeach. An-dràsta, tha gnìomhachas agus an saoghal acadaimigeach gu farsaing a’ cleachdadh dà phrìomh sheòrsa de dhòighean airson LiMn2O4 ullachadh: tha aon stèidhichte air an eadar-obrachadh eadar stuthan amh cruaidh, leithid ath-bheachdan stàite àrd-teòthachd, synthesis le taic microwave, agus làimhseachadh dòrtadh ann am meadhanan salainn leaghte.
Tha roinn eile a’ toirt a-steach cruth-atharrachadh ceimigeach ann an àrainneachd lionn, le eisimpleirean àbhaisteach a’ toirt a-steach teicneòlas gel sol-, synthesis hydrothermal, agus dòighean coprecipitation. Tha LiMnzO4 air aire fharsaing a tharraing air sgàth a bhuannachd prìse, seasmhachd teirmeach sàr-mhath, strì an aghaidh cus cosgais, agus buannachdan àrainneachdail math. Ach, tha easbhaidhean aig an stuth seo ann an coileanadh rothaireachd is stòraidh, gu sònraichte aig teòthachd àrd, far a bheil an coileanadh rothaireachd aige a’ dol sìos gu mòr, a’ leantainn gu call comas nach gabh atharrachadh.
lithium-manganese beairteach-stèidhichte
A bharrachd air lithium manganese oxide, tha stuthan stèidhichte air manganese lithium air mòran aire a tharraing mar stuth catod ùr airson bataraidhean lithium-ion.
Tha dòighean ullachaidh airson stuthan catod stèidhichte air manganese lithium a’ toirt a-steach dòighean stàite cruaidh, modhan soluis gel, agus dòighean sileadh co-phàirteach. Tha an dòigh stàite cruaidh a’ toirt a-steach measgachadh dìreach ocsaidean meatailt agus carbonatan meatailt no hydroxides meatailt ann an tomhas sònraichte, air a leantainn le freagairt stàite àrd gus stuthan beairteach lithium fhaighinn. Is e na buannachdan a tha aig an dòigh stàite cruaidh an comas a bhith a’ co-chur meudan mòra de stuthan beairteach ann an lithium, an dòigh ullachaidh a tha an ìre mhath sìmplidh, agus a chosgais ìosal. Is e na h-eas-bhuannachdan an droch cho-èifeachd sgaoilidh den t-solus aig àm sintearachd stàite cruaidh, agus an fhìrinn gu bheil ìrean sgaoilidh eadar-dhealaichte aig diofar mheatailtean gluasaid anns an ath-bhualadh stàite cruaidh, ga dhèanamh duilich do ghràineanan sgaoileadh gu leòr. Mar sin, tha èideadh an stuth synthesized truagh, a bheir buaidh air coileanadh an stuth catod. Tha an dòigh gel sol a’ toirt a-steach an-toiseach fuasgladh salainn meatailt gluasaid a chuir ri integrator gus sol a chruthachadh, an uairsin falmhachadh an uisge gus a dhèanamh na gel, agus mu dheireadh ga thiormachadh agus ga calcadh gus stuthan beairteach lithium fhaighinn. Tha an dòigh seo a’ toirt a-mach stuthan le cuairteachadh èideadh agus fìor fhìor-ghlan, agus tha na electrodan a chaidh a thoirt a-mach a’ nochdadh deagh choileanadh electrochemical. Ach, tha na h-eas-bhuannachdan aige a ’toirt a-steach cearcall saothrachaidh fada, an fheum air grunn integradairean (aigéid organach no ethylene glycol), a’ leantainn gu cosgaisean àrda. A bharrachd air an sin, tha na stuthan beairteach ann an lithium-sa mhòr-chuid nam mìrean nano/micron grinn le dùmhlachd ìosal fìor. Mar sin, tha an dòigh seo air a chleachdadh sa mhòr-chuid an-dràsta ann an suidheachaidhean obair-lann airson a bhith a’ dèanamh stuthan beairteach lithium le còmhdach agus tha e duilich a mhalairteachadh.
Stuthan àrd-catod nicil
Tha luchd-rannsachaidh air a bhith a’ sireadh o chionn fhada seasmhachd teothachd àrd agus coileanadh reata sàr-mhath mar na prìomh amasan ann an leasachadh catod
stuthan airson bataraidhean lithium-ion. Am measg nan trì prìomh stuthan - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), agus LiFePO₄ - Tha NCM air a mheas mar aon de na stuthan catod as gealltanach air sgàth a chomas sònraichte an ìre mhath àrd, cosgais stuthan amh an ìre mhath ìosal, sàbhailteachd nas fheàrr an coimeas ri loidhnichean càirdeil nas fheàrr, agus buannachdan àrainneachd nas fheàrr LiCo₂.
Tha an aon structar criostal sreathach -NaFeO₂-seòrsa seo de stuth seo agus buinidh e don bhuidheann fhànais R-3m. Chaidh am bun-bheachd seo a mholadh an toiseach le Liu et al. ann an 1999. Bidh e gu glic a’ cothlamadh buannachdan trì stuthan catod - lithium cobalt oxide (LiCoO₂), lithium nicil oxide (LiNiO₂), agus lithium manganese oxide (LiMnO₂) - agus gu h-èifeachdach a’ dèanamh dìoladh airson na h-uireasbhaidhean a tha an làthair anns gach stuth fa leth (mar a chithear ann am Figear 5-6). Le bhith ag atharrachadh co-mheas nan eileamaidean meatailt gluasaid, faodar an cothromachadh as fheàrr a dhèanamh eadar comas sònraichte, coileanadh baidhsagal, sàbhailteachd agus cosgais.
Tha structar criostal stuth catod ternary lithium nicil cobalt manganese oxide (NCM) gu bunaiteach an aon rud ri structar LiCoO2, an dà chuid a bhuineas don structar còmhdach sia-thaobhach.
