Nyenzo za cathode ndio chanzo kikuu cha ioni za lithiamu katika abetri ya lithiamu{0}}ioni. Wakati wa malipo, ioni za lithiamu hutolewa kutoka kwenye kimiani ya kioo ya vifaa vya cathode na kuingia nyenzo za anode; reverse hutokea wakati wa kutokwa. Uwezo unaoweza kugeuzwa na safu ya volteji ya nyenzo za cathode wakati wa kuchaji na kutoa kwa kiasi kikubwa huamua msongamano wa nishati ya betri ya lithiamu-ioni. Zaidi ya hayo, kwa sababu nyenzo ya cathode ina metali kama vile lithiamu, kobalti, na nikeli, hujumuisha sehemu muhimu zaidi ya gharama ya betri ya lithiamu{4}}ioni.
Kutengeneza nyenzo za cathode zenye msongamano mkubwa wa nishati, voltage ya pato kubwa, maisha marefu ya huduma, na urahisi wa utengenezaji ni muhimu sana. Nyenzo bora za cathode zinapaswa kufikia masharti ya msingi yafuatayo.
(1) Ina uwezo wa juu wa redox, kuhakikisha voltage ya juu ya pato kwa betri.
(2) Inaweza kubeba ioni za lithiamu nyingi iwezekanavyo, kuhakikisha uwezo wa juu wa betri.
(3) Wakati wa kuingizwa na uchimbaji wa ioni za lithiamu, nyenzo za cathode zinaweza kudumisha utulivu wake wa muundo, na hivyo kuhakikisha maisha ya mzunguko mrefu kwa electrode.
(4) Ina upitishaji bora wa kielektroniki na ioni, kwa ufanisi kupunguza upotevu wa nishati unaosababishwa na athari za ubaguzi, na hivyo kuhakikisha chaji ya haraka ya betri na uwezo wa kutoa.
(5) Upeo wa voltage ya uendeshaji wa betri unapaswa kuwa ndani ya safu ya uthabiti wa elektroliti, na hivyo kupunguza athari za kemikali zisizo za lazima kati ya nyenzo za elektrodi na elektroliti.
(6) Sio tu kwamba inapaswa kuwa na gharama ya chini na mchakato rahisi wa awali, lakini inapaswa pia kuonyesha urafiki wa juu wa mazingira.
Zaidi ya hayo, nyenzo za cathode zinapaswa pia kuonyesha utulivu bora wa electrochemical na mafuta.
Nyenzo zilizopo za cathode zinaweza kugawanywa katika aina tatu kulingana na tofauti zao za muundo wa fuwele: ① muundo wa tabaka, kama vile oksidi ya lithiamu kobalti (LiCoO2) na nyenzo za ternary (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② olivine muundo, kama vile lithiamu chuma phosphate (LiFePO4); ③ oksidi za muundo wa mgongo, kama vile oksidi ya manganese ya lithiamu (LiMn2O4) na oksidi ya nikeli ya manganese ya lithiamu (LiNi10.5Mn1.5O4). Aina tofauti za cathode zina msongamano tofauti wa nishati, sifa za kielektroniki, na gharama, na hatimaye kuzifanya zinafaa kwa nyanja tofauti na hali za matumizi. Nyenzo za muundo wa tabaka za cathode hurejelea nyenzo za cathode zilizo na muundo wa safu ndogo ya fuwele, haswa ikiwa ni pamoja na oksidi ya lithiamu kobalti, oksidi ya kobalti ya manganese ya lithiamu, na oksidi ya lithiamu{12}}manganese tajiri. Miongoni mwao, oksidi ya lithiamu kobalti na oksidi ya lithiamu nikeli kobalti manganese kwa sasa ndizo nyenzo zinazotumika sana kwa betri za lithiamu-betri za ioni katika bidhaa za kielektroniki za kidijitali na betri za lithiamu{15}}za ioni. Zina sifa ya msongamano mkubwa wa nishati, utendakazi bora wa mzunguko, na utendakazi mzuri kwa ujumla, lakini sehemu kubwa ya metali kama vile nikeli, kobalti na manganese husababisha gharama kubwa zaidi.
Nyenzo ya cathode ya oksidi ya lithiamu cobalt
Lithium cobalt oxide (LiCoO2) iligunduliwa na mwanasayansi wa Marekani na mshindi wa Tuzo ya Nobel ya Kemia, JB Goodenough, na kuuzwa kwa mara ya kwanza na Sony Corporation of Japan katika miaka ya 1990. Hata leo, oksidi ya lithiamu cobalt inabakia kuwa moja ya vifaa vya cathode na msongamano wa juu wa nishati ya ujazo. Kwa sababu hii, hutumiwa sana katika bidhaa za simu za kidijitali ambazo zinahitaji msongamano wa juu wa nishati, kama vile simu za rununu, saa mahiri na vipokea sauti vya sauti vya 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). Zaidi ya hayo, LiCoO2 huonyesha utendakazi wa hali ya juu wa kielektroniki na ioni, ufaafu wa nishati, na{3}}sifa za kuchaji kwa haraka, zinazokidhi mahitaji ya betri za sasa za kielektroniki na hivyo kuwa na aina mbalimbali za programu. Kulingana na mali hizi, LiCoO2 inasalia kuwa moja ya vifaa bora vya cathode hadi leo.
Mbinu kuu za usanisi za oksidi ya lithiamu kobalti ni pamoja na-imara ya halijoto-asili ya hali ya juu,-uunganisho wa sol,-kumiminika kwa halijoto ya chini. -ugumu wa halijoto ya juu-asili ya hali inahusisha kuchanganya chumvi za lithiamu na kobalti{7}}iliyo na oksidi au hidroksidi katika uwiano mahususi wa stoichiometric, kisha kukokotoa mchanganyiko katika halijoto inayofaa kwa muda fulani, ikifuatiwa na kupoeza, kuponda, na kuchuja ili kupata sampuli. Ingawa mbinu ya usanisi ya hali ya juu-ya halijoto{10}}inatumika sana katika uzalishaji wa viwandani, inatumia muda-inatumia muda mwingi, inahitaji halijoto ya juu ya usanisi, na hutoa poda kubwa zisizo sawa na zenye mikengeuko mikubwa ya stoichiometriki, na hivyo kusababisha ongezeko kubwa la gharama.
Vifaa vya cathode ya phosphate
Mnamo 1997, Goodenough et al. kwanza ilipendekeza lithiamu iron fosfati (LiFePO4) kama nyenzo ya cathode kwa betri za lithiamu{3}}ioni.
Kwa sababu ya gharama yake ya chini, muundo thabiti, na usalama wa juu, nyenzo hii polepole imekuwa mojawapo ya nyenzo za cathode zinazopendekezwa kwa betri za lithiamu-ioni katika mabasi ya umeme na mifumo ya kuhifadhi nishati.
Fosfati ya chuma ya lithiamu (LiFePO4) inashiriki muundo sawa wa fuwele na mfumo wa fuwele na fosfati ya chuma (FePO4). Hii ina maana kwamba nyenzo hupata mabadiliko madogo ya sauti wakati wa lithiamu-uwekaji/utoaji wa ioni, hivyo basi kuzuia uharibifu wa kimiani unaosababishwa na upanuzi wa sauti au kubana. Zaidi ya hayo, sifa hii inahakikisha mawasiliano mazuri ya umeme kati ya chembe na viongeza vya conductive, na kusababisha utulivu bora wa mzunguko na maisha marefu. Zaidi ya hayo, fosfati ya chuma ya lithiamu inasifika kwa urafiki wa mazingira, gharama-ufaafu, usalama bora, uwezo mahususi wa juu (takriban 170 mA·h/g), na jukwaa thabiti la chaji/utoaji. Kwa kuzingatia faida hizi, fosfati ya chuma ya lithiamu inachukuliwa kuwa chaguo bora kwa nyenzo za cathode katika{9}}utumizi mkubwa wa uhifadhi wa nishati.
Mbinu hizo ni pamoja na-michakato ya sol, mbinu za upenyezaji hewa, na usanisi wa hidrothermal. Hasa, usanisi wa hidrothermal huzalisha moja kwa moja bidhaa inayolengwa katika chombo kiotomatiki kwa kuongeza halijoto na shinikizo, kwa kutumia misombo ya chuma, lithiamu na fosforasi inayopatikana kwa urahisi kama malighafi. Njia hii inajulikana kwa uendeshaji wake rahisi, ukubwa wa chembe ndogo na sare, na matumizi ya chini ya nishati. Hata hivyo, ina vikwazo kwa uzalishaji wa viwandani, hasa kutokana na hitaji la vyombo maalum vinavyostahimili shinikizo{4}. Unyevushaji, kwa upande mwingine, unafanywa katika mfumo wa suluhu, ambapo mofolojia ya kitangulizi huathiriwa na mambo mbalimbali kama vile mkusanyiko, udhibiti wa halijoto, urekebishaji wa pH, na kasi ya kusisimua. Kwa kuzingatia jukumu muhimu la vigezo hivi katika utendakazi wa nyenzo za mwisho za LiFePO, uteuzi makini wa hali za majaribio ni muhimu. Bidhaa zilizotayarishwa kwa njia hii sio tu zina sifa bora za muundo mdogo (yaani, ukubwa wa chembe ndogo na sare) lakini pia zinaonyesha sifa bora za kielektroniki; hata hivyo, ni vyema kutambua kwamba mchakato mzima wa operesheni ni ngumu kiasi, na changamoto za uchujaji na masuala ya usimamizi wa taka yanaweza kutokea wakati wa usindikaji.
Lithium manganese oksidi na lithiamu-manganese tajiri-nyenzo za cathode
Oksidi ya manganese ya lithiamu
Katika utafiti wa nyenzo za cathode ya betri ya lithiamu-ioni, nyenzo nyingine muhimu na inayopatikana kibiashara ni spinel-iliyoundwa manganese oksidi ya lithiamu (LiMn₂O₄) nyenzo ya cathode iliyopendekezwa na Thackeray et al. mnamo 1983. Spinel{4}}iliyoundwa oksidi ya manganese ya lithiamu ni ya mfumo wa fuwele za ujazo. Muundo wake wa kawaida wa kemikali ni LiMn₂O₄. Katika muundo wa fuwele wa LiMn₂O₄, oksijeni iko katika muundo- ulio katikati wa mchemraba wa uso{8}} uliopakiwa, huku manganese na oksijeni huunda muundo wa oktahedral, kama inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini.
Manganese ina asili nyingi, na mbinu za utayarishaji wa spinel-aina ya lithiamu manganese oksidi (LiMn2O4) zinaonyesha sifa tofauti. Njia ya awali na teknolojia ya usindikaji wa nyenzo huathiri moja kwa moja muundo mdogo na maendeleo ya nafaka ya bidhaa ya mwisho. Kwa hivyo, kuboresha michakato hii ya usanisi ni muhimu kwa kuboresha utendaji wa kielektroniki wa vifaa vya elektrodi katika matumizi ya vitendo. Kwa sasa, tasnia na wasomi hutumia sana aina mbili kuu za mbinu kuandaa LiMn2O4: moja inategemea mwingiliano kati ya malighafi dhabiti, kama vile-maitikio ya hali ya juu-ya halijoto, usanisi wa microwave{10}} na matibabu ya uwekaji mimba katika chumvi iliyoyeyushwa.
Aina nyingine inahusisha mabadiliko ya kemikali katika mazingira ya kimiminiko, na mifano ya kawaida ikijumuisha-teknolojia ya sol, usanisi wa hidrothermal na mbinu za upenyezaji hewa. LiMnzO4 imevutia usikivu ulioenea kwa sababu ya faida yake ya bei, uthabiti bora wa mafuta, upinzani mkali wa malipo ya ziada, na faida nzuri za mazingira. Hata hivyo, nyenzo hii ina mapungufu katika utendaji wa baiskeli na uhifadhi, hasa kwa joto la juu, ambapo utendaji wake wa baiskeli huharibika kwa kiasi kikubwa, na kusababisha kupoteza uwezo usioweza kurekebishwa.
lithiamu-manganese tajiri-msingi
Kando na oksidi ya lithiamu manganese, lithiamu{0}}iliyo na manganese- tajiriba ya manganese{1}} nyenzo zenye msingi zimevutia usikivu mwingi kama nyenzo inayoibuka ya cathode ya betri za lithiamu -ioni.
Mbinu za utayarishaji wa lithiamu-manganese tajiri- nyenzo zenye msingi wa cathode ni pamoja na -mbinu za hali, sol-mbinu za gel, na{4}}mbinu za mvua. Mbinu thabiti-inajumuisha kuchanganya oksidi za metali moja kwa moja na kabonati za chuma au hidroksidi za metali kwa uwiano fulani, ikifuatiwa na{7}}maudhui ya hali ya juu-ili kupata lithiamu{9}}iliyowekwa tabaka. Faida za-mbinu thabiti ya hali ni uwezo wake wa kuunganisha kiasi kikubwa cha lithiamu{12}}tajiri ya tabaka, mbinu yake rahisi ya utayarishaji na gharama yake ya chini. Ubaya ni mgawo duni wa usambaaji wa solid wakati{14}}ya kupenya kwa hali thabiti, na ukweli kwamba metali tofauti za mpito zina viwango tofauti vya usambaaji katika{15}}mtikio thabiti wa hali, hivyo kufanya iwe vigumu kwa chembe kueneza vya kutosha. Kwa hiyo, usawa wa nyenzo za synthesized ni duni, ambayo huathiri utendaji wa nyenzo za cathode. Mbinu ya sol-jeli inahusisha kwanza kuongeza myeyusho wa chumvi ya metali kwenye kiunganishi ili kuunda sol, kisha kuyeyusha maji ili kuyafanya kuwa jeli, na hatimaye kuikausha na kuipakausha ili kupata lithiamu{19}}iliyowekwa tabaka. Njia hii hutoa vifaa na usambazaji sare na usafi wa juu, na electrodes zinazozalishwa zinaonyesha utendaji mzuri wa electrochemical. Hata hivyo, vikwazo vyake ni pamoja na mzunguko wa utengenezaji wa muda mrefu, haja ya viunganishi vingi (asidi za kikaboni au ethylene glycol), na kusababisha gharama kubwa. Zaidi ya hayo, nyenzo za lithiamu zilizowekwa tabaka{23}} kwa kiasi kikubwa ni chembe chembe za nano/micron zenye msongamano mdogo. Kwa hivyo, mbinu hii kwa sasa inatumika kimsingi katika mipangilio ya maabara kutengeneza vifaa vya lithiamu{25}} tajiri na ni vigumu kuifanya kibiashara.
Nyenzo za juu-nikeli za cathode
Watafiti kwa muda mrefu wametafuta-utulivu wa halijoto ya juu na utendaji bora wa viwango kama malengo ya msingi wakati wa kuunda cathode.
nyenzo za betri za lithiamu-ioni. Miongoni mwa nyenzo tatu kuu - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), na LiFePO₄ - NCM inachukuliwa kuwa mojawapo ya nyenzo za kutumainiwa za cathode kutokana na uwezo wake wa juu kiasi, gharama ya chini kiasi ya malighafi, faida bora ya malighafi ya Lini na usalama wa hali ya juu ikilinganishwa na LiFePO₂ na usalama wa hali ya juu. nyenzo.
Nyenzo ya aina hii ina muundo sawa wa -NaFeO₂-aina ya safu na ni ya kikundi cha anga cha R-3m. Dhana hii ilipendekezwa kwanza na Liu et al. mwaka wa 1999. Inachanganya kwa ustadi faida za nyenzo tatu za cathode - lithiamu kobalti oksidi (LiCoO₂), oksidi ya nikeli ya lithiamu (LiNiO₂), na oksidi ya manganese ya lithiamu (LiMnO₂) - na kufidia kwa ufanisi mapungufu yaliyopo katika kila nyenzo ya mtu binafsi (kama inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 5-6). Kwa kurekebisha uwiano wa vipengele vya mpito vya chuma, usawa bora kati ya uwezo maalum, utendaji wa mzunguko, usalama, na gharama inaweza kupatikana zaidi.
Muundo wa kioo wa nyenzo za lithiamu nikeli kobalti manganese oksidi (NCM) kimsingi ni sawa na ule wa LiCoO2, zote mbili ni za muundo wa tabaka hexagonal.
