Elektriautode kiire levik on suurendanud n\u00f5udlust liitiumpatareide tootmiseks kasutatavate toorainete j\u00e4rele, mist\u00f5ttu on vaja, et neid toodetakse esmastest mineraalidest - see tekitab nii keskkonnaalaseid kui ka sotsiaalseid probleeme.<\/p>\n
Liitiumakude keemiline koostis erineb selle poolest, kui palju energiat nad suudavad salvestada ja kui mitu korda neid saab laadida, mist\u00f5ttu on v\u00e4ga oluline valida just teie rakenduse jaoks sobiv aku.<\/p>\n
Liitium-ioonakud on kiiresti muutunud \u00fcheks tehnoloogiaks tarbeelektroonikas, n\u00e4iteks mobiiltelefonides ja s\u00fclearvutites, ning neid kasutavad \u00fcha enam ka h\u00fcbriidautod. Nende suur energiatihedus v\u00f5imaldab salvestada v\u00e4iksematesse ruumidesse rohkem energiat kui traditsiooniliste akutehnoloogiate puhul.<\/p>\n
Li-ioonakusid saab ohutult kasutada ka siis, kui neid kasutatakse konkreetsete ohutusn\u00f5uete kohaselt. Kuigi nende tulekahjuoht on v\u00e4iksem kui liitiummetallist akude puhul, v\u00f5ib vale k\u00e4sitsemine siiski ohustada.<\/p>\n
Liitiumioonakud toimivad interkalatsiooni ja ekstraheerimise teel, kusjuures liitiumioonid liiguvad edasi-tagasi anoodi ja katoodi vahel, tekitades elektrol\u00fc\u00fctlahuse, mis koosneb mittevesilahustitest, n\u00e4iteks et\u00fcleenkarbonaadist v\u00f5i prop\u00fcleenkarbonaadist, mis \u00fcmbritseb neid m\u00f5lemaid. Niiskus ei tohiks kunagi sattuda sellesse akusse, kuna liitiumil on tugev afiinsus veega.<\/p>\n
T\u00fchjenemine toimub siis, kui liitiumioonid liiguvad anoodist elektrol\u00fc\u00fctlahusesse, kus nad vabanevad elektrivoolu toimel oma sidumiskohtadest ja seej\u00e4rel vabanevad sidemetest anoodiga - vabastades elektronid, mis voolavad vabalt l\u00e4bi v\u00e4liste juhtmete, et t\u00f6\u00f6d teha.<\/p>\n
Liitium-ioonakud pakuvad palju eeliseid v\u00f5rreldes oma kolleegidega, sealhulgas head energiat\u00f5husust ja suurt v\u00f5imsuse ja kaalu suhet, madalat isepuhastumiskiirust, pikka kasutusiga ja kaasaskantavat konstruktsiooni. Liitiumkobaltoksiidi tehnoloogia v\u00f5imaldab autode liitiumioonakudes suuremat energiatihedust kui selle alternatiivid.<\/p>\n
Elektrol\u00fc\u00fcdid on elut\u00e4htsad mineraalid, mis on olulised meie keha h\u00fcdratsioonitaseme ja rakkude funktsioonide jaoks, samuti on need kasulikud tervisele, n\u00e4iteks v\u00e4simuse, pearingluse ja peavalu ennetamiseks. Elektrol\u00fc\u00fctide puudus v\u00f5ib viia isegi deh\u00fcdratsiooni, mis m\u00f5jutab elu oluliselt ja h\u00e4irib igap\u00e4evast rutiini p\u00f5hjalikult.<\/p>\n
Liitium-ioonakud kasutavad mittevesip\u00f5hiseid elektrol\u00fc\u00fcte, et v\u00e4ltida veereaktsioone ja kaitsta elektroode lagunemise eest. Need sisaldavad sageli orgaanilisi karbonaate, nagu et\u00fcleenkarbonaat v\u00f5i prop\u00fcleenkarbonaat, mille kompleksid seovad liitiumioone lahuses; see vedel elektrol\u00fc\u00fct v\u00f5imaldab ioonidel liikuda anoodi- ja katoodelektroodide vahel, tekitades elektrienergiat.<\/p>\n
Kui liitiumioonid liiguvad anoodilt katoodile l\u00e4bi elektrol\u00fc\u00fcdi, l\u00e4bivad nad t\u00fchjenemise ajal sisestamise v\u00f5i interkalatsiooniprotsessi, mis kannab elektronid katoodilt \u00fcle. See tekitab keemilise energia v\u00e4ljundi, mis on salvestatud elemendi v\u00e4liskontuuris; laadimise ajal \u00fchenduvad need ioonid uuesti oma elektronidega, et moodustada elektrienergiat.<\/p>\n
Dinca ja tema meeskond t\u00f6\u00f6tavad alternatiivsete akumaterjalide, n\u00e4iteks naatriumi v\u00f5i magneesiumi, v\u00e4ljat\u00f6\u00f6tamise kallal, mis sisaldavad v\u00e4hem koobaltit. Sellised akud v\u00f5iksid muuta akud kergemaks ja odavamaks, muutes need tarbijatele atraktiivsemaks. Koobaltivabad akud peaksid olema parema ts\u00fcklilise eluea ja ringlussev\u00f5etavusega ning neid v\u00f5ib isegi ohutumalt transportida ja ladustada kui koobaltiga akusid.<\/p>\n
Katood on \u00fcks liitiumpatareide p\u00f5hikomponente. Tegutsedes elektrijuhina, h\u00f5lbustab see liitiumioonide liikumist anoodi ja katoodi vahel t\u00fchjenemis- ja laadimisprotsesside ajal. Katoodid v\u00f5ivad koosneda erinevatest materjalidest, nagu liitiumi \u00fcleminekumetallide oksiidid, vanaadiumoksiidid, mangaanip\u00f5hised oksiidid v\u00f5i liitiumfosfaadid, mis v\u00f5imaldavad liitiumioonide p\u00f6\u00f6rduvat interkalatsiooni\/de-interkalatsiooni t\u00fchjendus-\/laadimists\u00fcklite ajal.<\/p>\n
Anood on negatiivne elektrood, mis vastutab raku t\u00fchjenemise ajal elektronide v\u00e4lisse vooluahelasse t\u00fchjendamise eest. Seevastu katood \u00fchendab positiivselt laetud liitiumioonid elektronidega elektrokeemilise reduktsioonireaktsiooni k\u00e4igus oma positiivsel elektroodil. Elektrol\u00fc\u00fct on vahendaja liitiumioonide ja elektronide transportimisel anoodi ja katoodi vahel; ta ise ei osale elektrokeemilises reaktsioonis.<\/p>\n
V\u00e4lja on t\u00f6\u00f6tatud palju erinevaid katoodmaterjale; kolm k\u00f5ige levinumat praeguses tootmises v\u00f5ib kokku v\u00f5tta LiCoO2, LiMn2O4 ja LiFePO4. K\u00f5ik kasutavad liitiumioonkeemiat; nende laetavus ja ts\u00fckliline stabiilsus on aga mudelite l\u00f5ikes erinev.<\/p>\n
Liitiumioonakud s\u00f5ltuvad oma katoodidest nii energiatiheduse kui ka ts\u00fckli kestuse osas, kuna see komponent salvestab suure koguse suure juhtivusega liitiumioone ja peab neid optimaalseks toimimiseks suures koguses ladustama. Vastupidavuse edasiseks v\u00e4hendamiseks ja j\u00f5udluse suurendamiseks v\u00f5ib juhtivate lisanditena lisada erinevaid juhtivaid lisandeid, n\u00e4iteks tahma (CB), amorfset s\u00fcsinikku (AC) v\u00f5i s\u00fcsinikkiude (CF); tabelis 2 on esitatud nende lisandite tulemused erinevate katoodimaterjalide ja erinevate juhtivate lisanditega v\u00f5rdluses olevate katoodide t\u00fchjendusv\u00f5imsuste ja ts\u00fckli j\u00f5udluse kohta.<\/p>\n
Liitiumioonakude eluj\u00f5ulisuse m\u00e4\u00e4ravad suuresti nende elektroodimaterjalid, mida nimetatakse ka anoodideks ja katoodideks, mis m\u00e4ngivad olulist rolli energiatiheduse ja pingevahemiku reguleerimisel. Enamik liitiumpatareisid kasutab s\u00fcsiniku anoode ja katoode; teadlased uurivad siiski alternatiivseid lahendusi.<\/p>\n
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 v\u00e4lja lasta, satuvad need elektrol\u00fc\u00fctidesse (mis koosnevad dimet\u00fc\u00fclkarbonaadi lahustis suspendeeritud liitiumisooladest). Siit liiguvad nad tagasi anoodi poole ja l\u00f5puks l\u00e4bi selle lahuse tagasi v\u00e4lja, et t\u00e4ita oma ringk\u00e4ik tagurpidi.<\/p>\n
Standardseid grafiitanoode ei saa kasutada pikaajaliselt, kuna korduv liitiumi sisestamine p\u00f5hjustab selle purunemise ja mahutavuse v\u00e4henemise, mist\u00f5ttu ei j\u00e4\u00e4 funktsionaalseid LIB-elemente. On pakutud v\u00e4lja alternatiive, n\u00e4iteks metallh\u00fcdroksiide, kuid nende k\u00f5rge interkalatsioonipinge v\u00e4hendab nende akude energiatihedust.<\/p>\n
Akumaterjalidele spetsialiseerunud ettev\u00f5te Amprius on \u00fche v\u00f5imaliku lahendusena v\u00e4lja t\u00f6\u00f6tanud r\u00e4nist nanodraatidega anoodi, mis \u00fcmbritseb r\u00e4ni nanodraate. Seda on juba katsetatud Airbus Zephyr S pseudosatelliidi akupaketis, mille j\u00f5udlus oli silmapaistev: see kestis sadu laadimists\u00fckleid, tootes samal ajal \u00fcle 435 W h\/kg energiatoodangut.<\/p>\n
Separaator on liitiumpatareide oluline komponent, mis isoleerib positiivsed ja negatiivsed elektroodid, v\u00f5imaldades samas liitiumioonide voolu. Eraldaja on valmistatud poorsest membraanist, mis on valmistatud erinevatest pol\u00fcolefiinidest, n\u00e4iteks pol\u00fcet\u00fcleenist v\u00f5i pol\u00fcprop\u00fcleenist, ja selle suurus m\u00f5jutab seda, kui palju voolu saab t\u00fchjendamise ajal v\u00f5tta, samuti m\u00e4\u00e4rab see stabiilsuse ts\u00fcklite ajal.<\/p>\n
Separaatori poorsus peaks olema piisav, et liitiumioonid saaksid elektroodide vahel vabalt liikuda, kusjuures poorid peaksid olema laialt jaotatud ja sulguma, kui aku on lahti \u00fchendatud v\u00f5i v\u00e4lja l\u00fclitatud; optimaalne pooride suurus j\u00e4\u00e4b vahemikku 30-100 nanomeetrit. Lisaks peab selle elektrijuhtivus olema k\u00f5rge.<\/p>\n
Oluline on ka separaatori m\u00e4rguvus; see peab raku t\u00f6\u00f6tamise ajal imendama piisava koguse elektrol\u00fc\u00fcdi oma pooridesse, ilma et tekiks dendriitide moodustumine ja SEI kasv. Kasutada v\u00f5ib mitmesuguseid separaatorimaterjale, nagu n\u00e4iteks lausplast, mikropoorset monokihilist PP, tselluloosi, klaaskiudu, PTFE v\u00f5i kolmekihilist PP\/PE\/PP; m\u00f5nel neist on t\u00e4iustatud omadused, n\u00e4iteks suurem vastupidavus oks\u00fcdatsioonile v\u00f5i afiinsus\/niisutavus elektrol\u00fc\u00fcdiga; need parandused aitavad oluliselt kaasa aku ohutusele ja pikaealisusele.<\/p>\n
Voolukollektorid on liitiumpatareide oluline osa, kuna need v\u00f5imaldavad elektronide voolu katoodi ja anoodi elektroodide vahel, aidates patareil saavutada suurt energiatihedust ning parandades ohutust ja j\u00f5udlust. Nad peavad olema konstrueeritud nii, et nad peavad vastu k\u00f5rgetele t\u00f6\u00f6pingetele, ilma et nende elektroodid korrodeeruksid.<\/p>\n
Metalle, nagu alumiinium ja vask, kasutatakse sageli voolukollektoritena nende suhteliselt odava olemuse ja suurep\u00e4rase elektrijuhtivuse t\u00f5ttu, kuid nende rabedus n\u00f5uab mehaanilise terviklikkuse s\u00e4ilitamiseks suurt paksust.<\/p>\n
NRELi teadlased on v\u00e4lja t\u00f6\u00f6tanud uudse viisi, kuidas v\u00e4hendada voolukollektori paksust, suurendades samal ajal energiatihedust. Meetod h\u00f5lmab liitiumpatareide separaatorite aktiivsete materjalide katmist liimiga, mis v\u00f5imaldab luua \u00f5hukesed, kuid kerged voolukollektorid, mis aitavad muuta liitiumautode patareid energiat\u00f5husamaks.<\/p>\n
Teadlased uurivad meetodeid, kuidas v\u00e4hendada voolukollektorite paksust, suurendades samal ajal nende elektrokeemilist stabiilsust. S\u00fcsinikup\u00f5hised materjalid pakuvad metallist materjalidega v\u00f5rreldes keskkonnas\u00f5bralikumaid tootmisprotsesse ja neid kasutatakse \u00fcha enam voolukollektoritena.<\/p>\n
S\u00fcsinikul p\u00f5hinevatel voolukollektoritel on palju eeliseid v\u00f5rreldes j\u00e4igemate kolleegidega, sealhulgas on nad piisavalt kergemad ja paindlikud, et parandada aku energiatihedust ja v\u00f5imsust - see on \u00fcha olulisem n\u00f5ue, arvestades liitiumioonakude kasvavat populaarsust.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Rapid expansion of electric vehicles (EVs) has increased demand for raw materials used to manufacture lithium batteries, necessitating their source from virgin minerals – this poses both environmental and social concerns. Lithium battery chemistries differ in terms of how much energy they can store and the number of times they can be recharged, making choosing …<\/p>\n