Materiály používané na výrobu lítiovej autobatérie

Rýchly rozvoj elektrických vozidiel (EV) zvýšil dopyt po surovinách používaných na výrobu lítiových batérií, čo si vyžaduje ich získavanie z pôvodných nerastných surovín - to vyvoláva environmentálne aj sociálne obavy.

Chemické zloženie lítiových batérií sa líši z hľadiska množstva energie, ktorú dokážu uskladniť, a počtu dobíjaní, preto je výber batérie pre vašu konkrétnu aplikáciu veľmi dôležitý.

Lítium-iónová chémia

Lítium-iónové batérie sa rýchlo stali jednou z najrozšírenejších technológií v spotrebnej elektronike, ako sú mobilné telefóny a prenosné počítače, a čoraz častejšie sa používajú aj v hybridných automobiloch. Ich vysoká hustota energie umožňuje uskladniť väčšie množstvo energie na menšom priestore ako pri tradičných batériových technológiách.

Li-ion batérie sa môžu prevádzkovať bezpečne, ak sa dodržiavajú osobitné bezpečnostné pokyny. Hoci je riziko ich požiaru nižšie ako pri lítium-kovových batériách, nesprávna manipulácia s nimi môže stále predstavovať nebezpečenstvo.

Lítium-iónové batérie fungujú na princípe interkalácie a extrakcie, pričom ióny lítia sa pohybujú tam a späť medzi anódou a katódou a vytvárajú roztok elektrolytu zložený z nevodných rozpúšťadiel, ako je etylénkarbonát alebo propylénkarbonát, ktorý oba roztoky obklopuje. Do tejto batérie by sa nikdy nemala dostať vlhkosť vzhľadom na silnú afinitu lítia k vode.

K vybíjaniu dochádza vtedy, keď sa ióny lítia presunú z anódy do roztoku elektrolytu, kde sa elektrickým prúdom uvoľnia z väzieb s anódou, čím sa uvoľnia elektróny, ktoré môžu voľne prúdiť cez vonkajšie vodiče a vykonávať prácu.

Lítium-iónové batérie majú oproti svojim náprotivkom mnoho výhod vrátane dobrej energetickej účinnosti a vysokého pomeru výkonu k hmotnosti, nízkej miery samovybíjania, dlhej životnosti a prenosného dizajnu. Technológia oxidu kobaltu lítneho umožňuje v lítium-iónových autobatériách dosiahnuť vyššiu hustotu energie ako jej alternatívy.

Elektrolyt

Elektrolyty sú životne dôležité minerály, ktoré sú nevyhnutné pre hydratáciu nášho tela a bunkové funkcie, ako aj pre celkové zdravotné výhody, ako je prevencia únavy, závratov a bolestí hlavy. Nedostatok elektrolytov môže dokonca viesť k dehydratácii, ktorá výrazne ovplyvňuje život a zásadným spôsobom narúša každodenné rutinné činnosti.

Lítium-iónové batérie sa spoliehajú na nevodné elektrolyty, aby sa zabránilo reakciám s vodou a chránili sa ich elektródy pred degradáciou. Často obsahujú organické uhličitany, ako je etylénkarbonát alebo propylénkarbonát, s komplexmi, ktoré v roztoku viažu ióny lítia; tento kvapalný elektrolyt potom umožňuje pohyb iónov medzi anódovou a katódovou elektródou, čím sa vyrába elektrická energia.

Ako sa ióny lítia počas vybíjania pohybujú z anódy do katódy cez elektrolyt, podliehajú procesu vnášania alebo interkalácie, pri ktorom sa prenášajú elektróny z katódy. Tým vzniká výstup chemickej energie uloženej vo vonkajšom obvode článku; počas nabíjania tie isté ióny rekombinujú so svojimi elektrónmi a vytvárajú elektrickú energiu.

Dinca a jeho tím pracujú na vývoji alternatívnych materiálov pre batérie, ktoré obsahujú menej kobaltu, napríklad sodíka alebo horčíka. Takéto batérie by mohli byť ľahšie a lacnejšie, čím by sa stali atraktívnejšími pre spotrebiteľov. Batérie bez kobaltu by mali mať lepšiu životnosť, recyklovateľnosť a dokonca by mohli byť bezpečnejšie na prepravu a skladovanie ako batérie s kobaltom.

Katóda

Katóda je jednou zo základných zložiek lítiových batérií. Funguje ako elektrický vodič a uľahčuje pohyb iónov lítia medzi anódou a katódou počas procesov vybíjania/nabíjania. Katódy môžu byť zložené z rôznych materiálov, ako sú oxidy prechodných kovov lítia, oxidy vanádu, oxidy na báze mangánu alebo fosforečnany lítia, ktoré umožňujú reverzibilnú interkaláciu/deinterkaláciu iónov lítia počas cyklov vybíjania/nabíjania.

Anóda je záporná elektróda, ktorá je zodpovedná za odvádzanie elektrónov do vonkajšieho obvodu počas vybíjania článku. Naopak, katódy spájajú kladne nabité ióny lítia s elektrónmi v elektrochemickej redukčnej reakcii na svojej kladnej elektróde. Elektrolyt slúži ako sprostredkovateľ z hľadiska transportu iónov lítia a elektrónov medzi anódou a katódami; sám sa na elektrochemickej reakcii nezúčastňuje.

Bolo vyvinutých mnoho rôznych katódových materiálov; tri najrozšírenejšie v súčasnej výrobe možno zhrnúť do LiCoO2, LiMn2O4 a LiFePO4. Každý z nich využíva lítium-iónovú chémiu; ich nabíjacia kapacita a cyklická stabilita sa však u jednotlivých modelov líši.

Lítium-iónové batérie závisia od svojej katódy z hľadiska energetickej hustoty aj životnosti cyklu, pretože táto zložka uchováva veľké množstvo lítiových iónov s vysokou vodivosťou a musí ich uchovávať veľké množstvo, aby fungovala optimálne. Na ďalšie zníženie odporu a zvýšenie výkonnosti sa môžu ako vodivé prísady pridávať rôzne vodivé prísady, ako sú sadze (CB), amorfný uhlík (AC) alebo uhlíkové vlákna (CF); v tabuľke 2 sú uvedené výsledky týchto prísad na vybíjacie kapacity a cyklické výkony rôznych katódových materiálov s rôznymi porovnávanými vodivými prísadami.

Anóda

Životaschopnosť lítium-iónových batérií do značnej miery určujú materiály ich elektród - známe aj ako anódy a katódy - ktoré zohrávajú zásadnú úlohu pri regulácii energetickej hustoty a rozsahu napätia. Väčšina lítiových batérií využíva uhlíkové anódy a katódy, výskumníci však skúmajú alternatívne riešenia.

K vybíjaniu dochádza, keď anóda uvoľňuje ióny lítia do katódy prostredníctvom interkalácie, čím sa vytvára prúd a energia. Pri nabíjaní však dochádza k opačnému procesu. Namiesto vybíjania iónov lítia na katódu prostredníctvom interkalácie sa dostávajú do elektrolytu (pozostávajúceho zo solí lítia suspendovaných v rozpúšťadle dimetylkarbonáte). Odtiaľ putujú späť k anóde a nakoniec sa cez tento roztok vrátia späť, aby dokončili svoj spätný okruh.

Štandardné grafitové anódy sa nedajú používať dlhodobo, pretože opakované vkladanie lítia spôsobuje ich rozpad a stratu kapacity, pričom nezostávajú funkčné články LIB. Boli navrhnuté alternatívy, ako napríklad hydroxidy kovov; ich vysoké interkalačné napätia však znižujú energetickú hustotu týchto batérií.

Spoločnosť Amprius, ktorá sa špecializuje na materiály pre batérie, vyvinula anódu s kremíkovým plášťom, ktorý obsahuje kremíkové nanodrôty ako jedno z možných riešení. Jej výkon bol vynikajúci: vydržala stovky nabíjacích cyklov a zároveň produkovala viac ako 435 W h/kg energie.

Oddeľovač elektród

Separátor je základnou zložkou lítiových batérií, ktorá slúži na oddelenie kladnej a zápornej elektródy a zároveň umožňuje tok lítiových iónov. Je vyrobený z poréznej membrány z rôznych polyolefínových materiálov, ako je polyetylén alebo polypropylén, a jeho veľkosť ovplyvňuje veľkosť prúdu, ktorý možno odoberať počas vybíjania, ako aj stabilitu počas cyklovania.

Pórovitosť separátora by mala byť dostatočná na to, aby umožňovala voľný pohyb iónov lítia medzi elektródami, so širokým rozložením pórov, ktoré sa po odpojení alebo vypnutí batérie uzavrú; optimálna veľkosť pórov sa pohybuje medzi 30 a 100 nanometrami. Okrem toho musí byť vysoká aj jeho vodivosť.

Podstatná je aj zmáčavosť separátora, ktorý musí počas prevádzky článku absorbovať dostatočné množstvo elektrolytu do svojich pórov bez toho, aby dochádzalo k tvorbe dendritov a rastu SEI. Môžu sa použiť rôzne materiály separátorov, ako napríklad netkaný PP, mikroporézny jednovrstvový PP, celulóza, sklenené vlákna, PTFE alebo trojvrstvový PP/PE/PP; niektoré z nich majú zlepšené vlastnosti, ako napríklad zvýšenú odolnosť voči oxidácii alebo afinitu/zmáčavosť s elektrolytmi; tieto zlepšenia významne prispievajú k bezpečnosti a životnosti batérie.

Aktuálne zberače

Prúdové kolektory sú základnou súčasťou lítiových batérií, pretože umožňujú tok elektrónov medzi katódovými a anódovými elektródami, čím pomáhajú batérii dosiahnuť vysokú energetickú hustotu a zlepšujú bezpečnosť a výkon. Musia byť navrhnuté tak, aby vydržali vysoké prevádzkové napätie bez korózie svojich elektród.

Kovy ako hliník a meď sa často používajú ako zberače prúdu vďaka ich relatívne nízkej cene a vynikajúcej elektrickej vodivosti, avšak ich krehkosť si vyžaduje veľkú hrúbku, aby sa zachovala mechanická integrita.

Vedci z NREL prišli s novým spôsobom, ako znížiť hrúbku prúdového kolektora a zároveň zvýšiť hustotu energie. Metóda zahŕňa pokrytie aktívnych materiálov zo separátorov lítiových batérií lepidlom, čím sa vytvoria tenké, ale ľahké kolektory prúdu, ktoré pomôžu zvýšiť energetickú účinnosť lítiových batérií pre automobily.

Vedci skúmajú metódy, ako znížiť hrúbku prúdových kolektorov a zároveň zvýšiť ich elektrochemickú stabilitu. Materiály na báze uhlíka ponúkajú v porovnaní s kovovými materiálmi ekologickejšie výrobné postupy a čoraz viac sa využívajú ako kolektory prúdu.

Kolektory prúdu na báze uhlíka majú oproti svojim pevnejším náprotivkom mnoho výhod vrátane toho, že sú ľahšie a dostatočne pružné na to, aby zlepšili energetickú hustotu a kapacitu batérie - čo je vzhľadom na rastúcu popularitu lítium-iónových batérií čoraz dôležitejšia požiadavka.