Liitiumautoaku valmistamiseks kasutatavad materjalid

Elektriautode kiire levik on suurendanud nõudlust liitiumpatareide tootmiseks kasutatavate toorainete järele, mistõttu on vaja, et neid toodetakse esmastest mineraalidest - see tekitab nii keskkonnaalaseid kui ka sotsiaalseid probleeme.

Liitiumakude keemiline koostis erineb selle poolest, kui palju energiat nad suudavad salvestada ja kui mitu korda neid saab laadida, mistõttu on väga oluline valida just teie rakenduse jaoks sobiv aku.

Liitiumioonkeemia

Liitium-ioonakud on kiiresti muutunud üheks tehnoloogiaks tarbeelektroonikas, näiteks mobiiltelefonides ja sülearvutites, ning neid kasutavad üha enam ka hübriidautod. Nende suur energiatihedus võimaldab salvestada väiksematesse ruumidesse rohkem energiat kui traditsiooniliste akutehnoloogiate puhul.

Li-ioonakusid saab ohutult kasutada ka siis, kui neid kasutatakse konkreetsete ohutusnõuete kohaselt. Kuigi nende tulekahjuoht on väiksem kui liitiummetallist akude puhul, võib vale käsitsemine siiski ohustada.

Liitiumioonakud toimivad interkalatsiooni ja ekstraheerimise teel, kusjuures liitiumioonid liiguvad edasi-tagasi anoodi ja katoodi vahel, tekitades elektrolüütlahuse, mis koosneb mittevesilahustitest, näiteks etüleenkarbonaadist või propüleenkarbonaadist, mis ümbritseb neid mõlemaid. Niiskus ei tohiks kunagi sattuda sellesse akusse, kuna liitiumil on tugev afiinsus veega.

Tühjenemine toimub siis, kui liitiumioonid liiguvad anoodist elektrolüütlahusesse, kus nad vabanevad elektrivoolu toimel oma sidumiskohtadest ja seejärel vabanevad sidemetest anoodiga - vabastades elektronid, mis voolavad vabalt läbi väliste juhtmete, et tööd teha.

Liitium-ioonakud pakuvad palju eeliseid võrreldes oma kolleegidega, sealhulgas head energiatõhusust ja suurt võimsuse ja kaalu suhet, madalat isepuhastumiskiirust, pikka kasutusiga ja kaasaskantavat konstruktsiooni. Liitiumkobaltoksiidi tehnoloogia võimaldab autode liitiumioonakudes suuremat energiatihedust kui selle alternatiivid.

Elektrolüüt

Elektrolüüdid on elutähtsad mineraalid, mis on olulised meie keha hüdratsioonitaseme ja rakkude funktsioonide jaoks, samuti on need kasulikud tervisele, näiteks väsimuse, pearingluse ja peavalu ennetamiseks. Elektrolüütide puudus võib viia isegi dehüdratsiooni, mis mõjutab elu oluliselt ja häirib igapäevast rutiini põhjalikult.

Liitium-ioonakud kasutavad mittevesipõhiseid elektrolüüte, et vältida veereaktsioone ja kaitsta elektroode lagunemise eest. Need sisaldavad sageli orgaanilisi karbonaate, nagu etüleenkarbonaat või propüleenkarbonaat, mille kompleksid seovad liitiumioone lahuses; see vedel elektrolüüt võimaldab ioonidel liikuda anoodi- ja katoodelektroodide vahel, tekitades elektrienergiat.

Kui liitiumioonid liiguvad anoodilt katoodile läbi elektrolüüdi, läbivad nad tühjenemise ajal sisestamise või interkalatsiooniprotsessi, mis kannab elektronid katoodilt üle. See tekitab keemilise energia väljundi, mis on salvestatud elemendi väliskontuuris; laadimise ajal ühenduvad need ioonid uuesti oma elektronidega, et moodustada elektrienergiat.

Dinca ja tema meeskond töötavad alternatiivsete akumaterjalide, näiteks naatriumi või magneesiumi, väljatöötamise kallal, mis sisaldavad vähem koobaltit. Sellised akud võiksid muuta akud kergemaks ja odavamaks, muutes need tarbijatele atraktiivsemaks. Koobaltivabad akud peaksid olema parema tsüklilise eluea ja ringlussevõetavusega ning neid võib isegi ohutumalt transportida ja ladustada kui koobaltiga akusid.

Katood

Katood on üks liitiumpatareide põhikomponente. Tegutsedes elektrijuhina, hõlbustab see liitiumioonide liikumist anoodi ja katoodi vahel tühjenemis- ja laadimisprotsesside ajal. Katoodid võivad koosneda erinevatest materjalidest, nagu liitiumi üleminekumetallide oksiidid, vanaadiumoksiidid, mangaanipõhised oksiidid või liitiumfosfaadid, mis võimaldavad liitiumioonide pöörduvat interkalatsiooni/de-interkalatsiooni tühjendus-/laadimistsüklite ajal.

Anood on negatiivne elektrood, mis vastutab raku tühjenemise ajal elektronide välisse vooluahelasse tühjendamise eest. Seevastu katood ühendab positiivselt laetud liitiumioonid elektronidega elektrokeemilise reduktsioonireaktsiooni käigus oma positiivsel elektroodil. Elektrolüüt on vahendaja liitiumioonide ja elektronide transportimisel anoodi ja katoodi vahel; ta ise ei osale elektrokeemilises reaktsioonis.

Välja on töötatud palju erinevaid katoodmaterjale; kolm kõige levinumat praeguses tootmises võib kokku võtta LiCoO2, LiMn2O4 ja LiFePO4. Kõik kasutavad liitiumioonkeemiat; nende laetavus ja tsükliline stabiilsus on aga mudelite lõikes erinev.

Liitiumioonakud sõltuvad oma katoodidest nii energiatiheduse kui ka tsükli kestuse osas, kuna see komponent salvestab suure koguse suure juhtivusega liitiumioone ja peab neid optimaalseks toimimiseks suures koguses ladustama. Vastupidavuse edasiseks vähendamiseks ja jõudluse suurendamiseks võib juhtivate lisanditena lisada erinevaid juhtivaid lisandeid, näiteks tahma (CB), amorfset süsinikku (AC) või süsinikkiude (CF); tabelis 2 on esitatud nende lisandite tulemused erinevate katoodimaterjalide ja erinevate juhtivate lisanditega võrdluses olevate katoodide tühjendusvõimsuste ja tsükli jõudluse kohta.

Anood

Liitiumioonakude elujõulisuse määravad suuresti nende elektroodimaterjalid, mida nimetatakse ka anoodideks ja katoodideks, mis mängivad olulist rolli energiatiheduse ja pingevahemiku reguleerimisel. Enamik liitiumpatareisid kasutab süsiniku anoode ja katoode; teadlased uurivad siiski alternatiivseid lahendusi.

Laadimine toimub siis, kui anood vabastab liitiumioone katoodile interkalatsiooni teel, tekitades voolu ja energiat. Laadimisel toimub aga vastupidi. Selle asemel, et interkalatsiooni teel katoodile liitiumioone välja lasta, satuvad need elektrolüütidesse (mis koosnevad dimetüülkarbonaadi lahustis suspendeeritud liitiumisooladest). Siit liiguvad nad tagasi anoodi poole ja lõpuks läbi selle lahuse tagasi välja, et täita oma ringkäik tagurpidi.

Standardseid grafiitanoode ei saa kasutada pikaajaliselt, kuna korduv liitiumi sisestamine põhjustab selle purunemise ja mahutavuse vähenemise, mistõttu ei jää funktsionaalseid LIB-elemente. On pakutud välja alternatiive, näiteks metallhüdroksiide, kuid nende kõrge interkalatsioonipinge vähendab nende akude energiatihedust.

Akumaterjalidele spetsialiseerunud ettevõte Amprius on ühe võimaliku lahendusena välja töötanud ränist nanodraatidega anoodi, mis ümbritseb räni nanodraate. Seda on juba katsetatud Airbus Zephyr S pseudosatelliidi akupaketis, mille jõudlus oli silmapaistev: see kestis sadu laadimistsükleid, tootes samal ajal üle 435 W h/kg energiatoodangut.

Elektroodide eraldaja

Separaator on liitiumpatareide oluline komponent, mis isoleerib positiivsed ja negatiivsed elektroodid, võimaldades samas liitiumioonide voolu. Eraldaja on valmistatud poorsest membraanist, mis on valmistatud erinevatest polüolefiinidest, näiteks polüetüleenist või polüpropüleenist, ja selle suurus mõjutab seda, kui palju voolu saab tühjendamise ajal võtta, samuti määrab see stabiilsuse tsüklite ajal.

Separaatori poorsus peaks olema piisav, et liitiumioonid saaksid elektroodide vahel vabalt liikuda, kusjuures poorid peaksid olema laialt jaotatud ja sulguma, kui aku on lahti ühendatud või välja lülitatud; optimaalne pooride suurus jääb vahemikku 30-100 nanomeetrit. Lisaks peab selle elektrijuhtivus olema kõrge.

Oluline on ka separaatori märguvus; see peab raku töötamise ajal imendama piisava koguse elektrolüüdi oma pooridesse, ilma et tekiks dendriitide moodustumine ja SEI kasv. Kasutada võib mitmesuguseid separaatorimaterjale, nagu näiteks lausplast, mikropoorset monokihilist PP, tselluloosi, klaaskiudu, PTFE või kolmekihilist PP/PE/PP; mõnel neist on täiustatud omadused, näiteks suurem vastupidavus oksüdatsioonile või afiinsus/niisutavus elektrolüüdiga; need parandused aitavad oluliselt kaasa aku ohutusele ja pikaealisusele.

Praegused kollektorid

Voolukollektorid on liitiumpatareide oluline osa, kuna need võimaldavad elektronide voolu katoodi ja anoodi elektroodide vahel, aidates patareil saavutada suurt energiatihedust ning parandades ohutust ja jõudlust. Nad peavad olema konstrueeritud nii, et nad peavad vastu kõrgetele tööpingetele, ilma et nende elektroodid korrodeeruksid.

Metalle, nagu alumiinium ja vask, kasutatakse sageli voolukollektoritena nende suhteliselt odava olemuse ja suurepärase elektrijuhtivuse tõttu, kuid nende rabedus nõuab mehaanilise terviklikkuse säilitamiseks suurt paksust.

NRELi teadlased on välja töötanud uudse viisi, kuidas vähendada voolukollektori paksust, suurendades samal ajal energiatihedust. Meetod hõlmab liitiumpatareide separaatorite aktiivsete materjalide katmist liimiga, mis võimaldab luua õhukesed, kuid kerged voolukollektorid, mis aitavad muuta liitiumautode patareid energiatõhusamaks.

Teadlased uurivad meetodeid, kuidas vähendada voolukollektorite paksust, suurendades samal ajal nende elektrokeemilist stabiilsust. Süsinikupõhised materjalid pakuvad metallist materjalidega võrreldes keskkonnasõbralikumaid tootmisprotsesse ja neid kasutatakse üha enam voolukollektoritena.

Süsinikul põhinevatel voolukollektoritel on palju eeliseid võrreldes jäigemate kolleegidega, sealhulgas on nad piisavalt kergemad ja paindlikud, et parandada aku energiatihedust ja võimsust - see on üha olulisem nõue, arvestades liitiumioonakude kasvavat populaarsust.