Lo material catodic es la font primària d'ions de liti dins unbatariá d'ions de liti-. Pendent la carga, los ions de liti son extraches de la treliça de cristal del material de catòde e dintran dins lo material de l'anòde; l'invèrs se produtz pendent la descarga. La capacitat reversibla e lo platèu de tension del material catòdic pendent la carga e la descarga determinan largament la densitat d'energia de la batariá d'ions de liti. De mai, perque lo material de catòde conten de metals coma lo liti, lo cobalt e lo niquèl, constituís lo compausant mai significatiu del còst d'una batariá d'ions de liti.
Desvolopar de materials catòdics amb una densitat d'energia nauta, una tension de sortida nauta, una longa vida de servici e una facilitat de fabricacion es de granda importància. Un material de catòde ideal deuriá respondre a las condicions de basa seguentas.
(1) Possedís un potencial redox naut, assegurant una tension de sortida nauta per la batariá.
(2) Pòt aculhir lo mai d'ions de liti possible, en assegurant una capacitat de batariá nauta.
(3) Pendent l'insercion e l'extraccion d'ions de liti, lo material de catòde pòt manténer son estabilitat estructurala, assegurant aital una vida de cicle longa per l'electròde.
(4) Possedís una conductivitat electronica e ionic excelenta, redusent eficaçament la pèrda d'energia causada pels efièches de polarizacion, assegurant aital las capacitats de carga e descarga rapida de la batariá.
(5) La gama de tension de foncionament de la batariá deuriá èsser dins la gamma d'estabilitat electroquimica de l'electrolit, minimizant aital las reaccions quimicas innecessàrias entre lo material de l'electròde e l'electrolit.
(6) Non solament deuriá aver un còst bas e un procès de sintèsi simple, mas deuriá tanben mostrar una nauta amistabilitat de l'environament.
De mai, lo material de catòde deuriá tanben demostrar una estabilitat electroquimica e termica excelenta.
Los materials catòdics existents pòdon èsser subretot devesits en tres categorias en foncion de lors diferéncias d'estructura cristallina: 1 estructura en jaces, coma l'oxid de cobalt de liti (LiCoO2) e los materials ternaris (LiNiCo, Mni-x-yO2); estructura d'olivina, coma lo fosfat de fèrre de liti (LiFePO4); oxids d'estructura d'espinèl, coma l'oxid de manganès de liti (LiMn2O4) e l'oxid de manganès de niquèl de liti (LiNi10.5Mn1.5O4). Diferents tipes de catòdes an de densitats d'energia, de caracteristicas electroquimicas e de còstes diferents, çò que los rend fin finala adaptats a diferents camps e scenaris d'aplicacion. Estructura en jaces Los materials catodics fan referéncia als materials catodics amb una estructura microcristalina en jaces, inclusent subretot l'oxid de cobalt de liti, l'oxid de manganès de cobalt de niquèl de liti, e l'oxid de manganès ric en liti-. D'entre eles, l'oxid de cobalt de liti e l'oxid de manganès de cobalt de niquèl de liti son actualament los materials catodics mai utilizats per las pilas d'ion de liti dins los produches electronics numerics e de pilas d'ion de liti. Son caracterizats per una densitat d'energia nauta, una performància de cicle excelenta, e una bona performància globala, mas la proporcion nauta de metals coma lo niquèl, lo cobalt e lo manganès mena a de còstes mai nauts.
Material de catòde d'oxid de cobalt de liti
L'oxid de cobalt de liti (LiCoO2) foguèt descobèrt pel scientific american e laureat del Prèmi Nobel en Quimia, JB Goodenough, e comercializat pel primièr còp per la Societat Sony de Japon dins las annadas 1990. Encara uèi, l'oxid de cobalt de liti demòra un dels materials de catòde amb la densitat d'energia volumetrica mai nauta. Per aquela rason, es largament utilizat dins de produches de cellulas de pòcha numericas que demandan una nauta densitat d'energia volumetrica, coma los telefòns mobils, los relòtges intelligents e los cascos 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). De mai, LiCoO2 mòstra una conductivitat electronica e ionica relativament superiora, una eficiéncia energetica, e de caracteristicas de carga rapida-, en respondent a las exigéncias de las batariás electronicas actualas e avent aital una granda varietat d'aplicacions. En foncion d'aquelas proprietats, LiCoO2 demòra un dels melhors materials de catòde fins ara.
Los metòdes de sintèsi principals per l'oxid de cobalt de liti incluson la sintèsi d'estat solid-a temperatura nauta, la sintèsi de gel de sol-, e la coprecipitacion a temperatura bassa. La sintèsi d'estat solid-a nauta temperatura implica de mesclar de sals de liti e de cobalt-que contenon d'oxids o d'idroxids dins un rapòrt estequiometric especific, puèi de calcinar la mescla a una temperatura convenabla pendent un cèrt temps, seguit de refregiment, de pulverizacion e de tamisatge per obténer la mòstra. E mai se lo metòde de sintèsi d'estat solid- a nauta temperatura es largament utilizat dins la produccion industriala, pren de temps-, demanda de temperaturas de sintèsi nautas, e produtz de polveras grandas e desigualament omogenèas amb de desviacions estequiometricas significativas, çò que resulta en un aument substancial del còst.
Materiaus de catòde fosfat
En 1997, Goodenough et al. prepausèt d'en primièr lo fosfat de fèrre de liti (LiFePO4) coma material de catòde per las batariás d'ions de liti-.
A causa de son còst bas, d'estructura establa e de sa seguretat nauta, aquel material es vengut gradualament un dels materials catòdics preferits per las batariás d'ions de liti dins los autobuses electrics e los sistèmas d'emmagazinatge d'energia.
Lo fosfat de fèrre de liti (LiFePO4) parteja una estructura cristalina e un sistèma de cristal similars amb lo fosfat de fèrre (FePO4). Aquò significa que lo material coneis un cambiament de volum minimal pendent l'insercion/extraccion d'ions de liti-, en prevenent eficaçament los damatges de treliça causats per l'expansion o la contraccion del volum. De mai, aquela caracteristica assegura un bon contacte electric entre las particulas e los additius conductors, çò que resulta en una estabilitat del cicle excelenta e una durada de vida longa. De mai, lo fosfat de fèrre de liti es reputat per son environament, son eficacitat de còst-, sa seguretat excelenta, sa capacitat especifica nauta (aperaquí 170 mA·h/g), e sa plataforma de carga/descarga establa. Donats aqueles avantatges, lo fosfat de fèrre de liti es considerat coma una causida ideala pels materials catodics dins d'aplicacions d'emmagazinatge d'energia a granda escala.
Los metòdes incluson de processus de sol-gel, de tecnicas de coprecipitacion, e de sintèsi idrotermica. Especificament, la sintèsi idrotermica genera dirèctament lo produch cibla dins un autoclau en aumentant la temperatura e la pression, en utilizant de compausats de fèrre, de liti e de fosfòr facilament disponibles coma matèrias primièras. Aqueste metòde es conegut per son foncionament simple, sa talha de particulas pichona e unifòrma, e sa consomacion d'energia bassa. Pasmens, a de limitacions per la produccion industriala, subretot a causa del besonh de contenedors resistents a la pression especialament concebuts. La coprecipitacion, d'un autre costat, es menada dins un sistèma de solucion, ont la morfologia del precursor es afectada per divèrses factors coma la concentracion, lo contraròtle de temperatura, l'ajustament del pH e lo taus d'agitacion. Donat lo ròtle decisiu qu'aqueles paramètres jògan dins la performància del material LiFePO sinterizat final, una seleccion prudenta de las condicions experimentalas es cruciala. Los produches preparats per aqueste metòde possedisson pas solament d'excellentas caracteristicas de microestructura (es a dire, de talha de particulas pichona e unifòrma) mas tanben mòstran de proprietats electroquimicas superioras; pasmens, val la pena de notar que tot lo procès d'explotacion es relativament complèxe, e que de desfís de filtracion e de problèmas de gestion dels residus pòdon aparéisser pendent lo tractament.
Oxid de liti de manganès e materials de catòde a basa de manganès ric en liti-
Oxid de manganès de liti
Dins la recèrca dels materials de catòde de batariá d'ions de liti-, un autre material catòdic important e comercialament disponible es lo material catòdic d'oxid de manganès de liti (LiMn₂O₄) estructurat d'espinèl- prepausat per Thackeray et al. en 1983. L'oxid de manganès de liti estructurat d'espinèl-pertanh al sistèma de cristal cubic. Sa composicion quimica tipica es LiMn₂O₄. Dins l'estructura cristallina LiMn₂O₄, l'oxigèn es dins una estructura cubica centrada en fàcia-, del temps que lo manganès e l'oxigèn forman una estructura octaèdrica, coma mostrat dins la figura çai-jos.
Lo manganès es abondant en natura, e las tecnicas de preparacion de l'oxid de manganès de liti de tipe espinèl- (LiMn2O4) mòstran de caracteristicas divèrsas. La via de sintèsi e la tecnologia de tractament del material afectan dirèctament la microestructura e lo desvolopament de granas del produch final. Doncas, l'optimizacion d'aqueles processus de sintèsi es cruciala per melhorar la performància electroquimica dels materials d'electrodes dins d'aplicacions practicas. Actualament, l'industria e l'acadèmia utilizan largament dos tipes principals de metòdes per preparar LiMn2O4: un es basat sus l'interaccion entre de matèrias primièras solidas, coma las reaccions d'estat solid-a temperatura nauta, la sintèsi assistida per microondas-, e lo tractament d'impregnacion dins de mèdias de sal fondut.
Una autra categoria implica la transformacion quimica dins un environament liquid, amb d'exemples tipics inclusent la tecnologia de sol-gel, la sintèsi idrotermica, e las tecnicas de coprecipitacion. LiMnzO4 a atirat una atencion generalizada a causa de son avantatge de prètz, son estabilitat termica excelenta, sa fòrta resisténcia a la subrecarga, e de bons beneficis environamentals. Pasmens, aquel material a de mancanças dins la performància de ciclatge e d'emmagazinatge, mai que mai a de temperaturas nautas, ont sa performància de ciclatge se deteriora significativament, menant a una pèrda de capacitat irreversibla.
a basa de manganès-ric en liti
En mai de l'oxid de manganès de liti, de materials en capas a basa de manganès- ric en liti an atirat l'atencion generalizada coma material de catòde emergent per las pilas d'ions de liti-.
Los metòdes de preparacion pels materials catòdics a basa de manganès-rics en liti incluson los metòdes d'estat solid-, los metòdes de gel de sol-, e los metòdes de precipitacion de co-. Lo metòde d'estat solid- implica de mesclar dirèctament d'oxids metallics e de carbonats de metal o d'idroxids de metal dins una cèrta proporcion, seguit d'una reaccion d'estat solid-a temperatura nauta per obténer de materials rics en liti en jaces. Los avantatges del metòde d'estat solid- son sa capacitat de sintetizar de grandas quantitats de materials rics en liti en jaces, son metòde de preparacion relativament simple, e son còst bas. Los inconvenients son lo marrit coeficient de difusion del solid pendent la sinterizacion a l'estat solid-, e lo fach que diferents metals de transicion an de tausses de difusion diferents dins la reaccion a l'estat solid-, çò que rend dificil per las particulas de difusar pro. Doncas, l'uniformitat del material sintetizat es marrida, çò qu'afecta la performància del material catòdic. Lo metòde de sol-gel implica d'en primièr l'apondon d'una solucion de sal de metal de transicion a un integrator per formar un sol, puèi l'evaporacion de l'aiga per ne far un gel, e fin finala la secadura e la calcinacion per obténer de materials rics en liti en jaces. Aqueste metòde produtz de materials amb una distribucion unifòrma e una puretat nauta, e los electrodes produches mòstran de bonas performàncias electroquimicas. Pasmens, sos inconvenients incluson un cicle de fabricacion long, lo besonh de nombroses integrators (acids organics o etilenglicòl), çò que resulta en de còstes elevats. De mai, los materials rics en liti en capas produches son subretot de particulas nano/microns finas amb una densitat reala bassa. Doncas, aquel metòde es actualament utilizat subretot dins d'encastres de laboratòri per fabricar de materials rics en liti en jaces e es malaisit de comercializar.
Materiaus de catòde naut-niquèl
Los cercaires an cercat dempuèi longtemps una estabilitat a nauta -temperatura e una performància de taus excelenta coma objectius principals al moment del desvolopament de catòde
materials per de pilas de liti-ions. D'entre los tres materials màgers - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), e LiFePO₄ - NCM es considerat coma un dels materials catòdics mai prometors a causa de sa capacitat especifica relativament nauta, de sa capacitat de matèria primièra relativament bassa, en comparason amb sa seguretat superiora LiCoO2, e una melhora amistat amb l'environament e d'avantatges de còst suls materials tradicionals.
Aqueste tipe de material a la meteissa estructura de cristal en jaces de tipe -NaFeO₂- e aparten al grop espacial R-3m. Aqueste concèpte foguèt primièr prepausat per Liu et al. en 1999. Combina astuciosament los avantatges de tres materials catòdics - oxid de cobalt de liti (LiCoO2), oxid de niquèl de liti (LiNiO2), e oxid de manganès de liti (LiMnO2) - e compensa eficaçament las mancas presents dins cada material individú (coma mòstra dins la figura 6-5). En ajustant lo rapòrt dels elements de metal de transicion, l'equilibri optimal entre la capacitat especifica, la performància del cicle, la seguretat e lo còst pòt èsser mai atench.
L'estructura cristallina del material de catòde ternari d'oxid de manganès de niquèl de liti (NCM) es basicament la meteissa qu'aquela de LiCoO2, apartenent totes dos a l'estructura en jaces exagonals.
