PİLLER İÇİN EN İYİ KATOT VE ANOT MALZEMELERİ

PİLLER İÇİN EN İYİ KATOT VE ANOT MALZEMELERİ

Katot ve Anot malzemeleri her pilin bir parçasıdır çünkü bu, bir pilin çalışmasının nasıl geliştirildiğinin veya uygun şekilde uyarıldığının ana kaynağıdır.

Lityum iyon piller burada ve katot ve anot malzemelerinin mekaniğini hazırlarken nasıl ve ne tür mekaniklerin dahil olduğu hakkında tartışılmaktadır. Bunlar esastır çünkü tüm elektrot dengelemesi ve kimyasal yük dengelemesi bunlara dayanarak gerçekleşir.

Giriş

Katot pozitif yükten sorumludur ve anot negatif yükten sorumludur ve bölünmeleri, en yaygın olarak elektrolit olarak bilinen bir elektrolitik çözelti ile gerçekleştirilir. Çeşitli teknolojilerde, örneğin Hibrit Elektrikli Araçlar (HEV), yakıt verimliliğini artırmak için hem lityum iyon pilleri hem de elektrikli motorlu motorları kullanır. Esasen, paralel veya seri olarak birleştirilen birçok elektrokimyasal hücre, pil olarak bilinir ve kapasite ve voltaj sağlarlar. Her hücrede, elektrolit olarak bilinen bir elektrolitik çözelti ile ayrılmış bir negatif (anot) ve pozitif (katot) elektrot bulunur. İyonun elektrotlar arasında transferine ayrışmış tuz tarafından izin verilir. Bu elektrotlarla harici bir kaynak bağlandığında, kimyasal reaksiyon sonucunda elektronlar serbest bırakılır ve bu nedenle akıma dokunmak için.

Akü Kimyasına Genel Bakış

Pilin kimyası, pil tarafından ne kadar elektrik enerjisi verilebileceğine göre hücrenin ve hücrenin kapasitesini belirler. Uygulama amacıyla yaygın olan ve şu anda kullanılan akü teknolojisi Nikel Metal Hidrittir (Ni-MH). Bununla birlikte, araştırmalarda Ni-MH ile karşılaştırıldığında, Lityum-iyon (Li-iyon) kimyasının çift yoğunluğa ve güç verimliliğine sahip olduğu kanıtlanmıştır. Lityum iyon piller, Nikel Metal Hidroksit (Ni-Mh), Nikel Kadmiyum (Ni-Cd) ve kurşun asit piller, daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip oldukları için birçok farklı uygulamada yaygın olarak kullanılan pillerden bazılarıdır.

Mevcut Pil Teknolojisindeki Gelişmeler

Mevcut teknolojiler, örneğin plug-in HEV’LER gibi bu ilerlemelerle yeniden şekilleniyor. Piller genellikle daha büyük uygulamalarda kullanılmak üzere ağır ve pahalıdır. Bu tür üst düzey uygulamalar için, daha hafif, daha ucuz ve daha küçük pil depolamanın oluşturulması, Lityum bazlı ve Lityum iyon piller için yeterli olası avantajlara sahiptir. Bu nedenle, tüketici elektroniğinde, bu piller yaygın olarak kullanılmaktadır ve ayrıca tüm dünyada daha yüksek bir satışa sahiptir.

Daha yüksek yoğunluklu enerji depolama sistemleri tasarlamak için nadir bulunan element, en hafif metal ve çok elektropozitif bir element olduğu için lityumdur. Farklı organik bileşikler alkali metallerle tersinir bir şekilde reaksiyona girer, bu keşif şarj edilebilir Lityum iyon pillerin tasarlanmasının yolunu açmıştır. İki molekül arasında, molekülün tersine çevrilebilir dahil edilmesi, interkalasyon olarak bilinir.

Anot Malzemeleri

Lityum alaşımlı metaller ve karbon (grafit) bazlı malzemeler günümüzde en çok kullanılan iki anot malzemesidir. Oksit spinel Li4Ti5o12 ticarileştirilmiş bir lityum alaşımlı metaldir. Lityum anotları üzerinde dendrit oluşumu gibi güvenlik ve döngüsel sorunlardan kaçınmak için minimum potansiyel interkalasyon elektrodunun kullanılması tavsiye edilir.

Eklenen lityum, grafit interkalasyon alaşımında bulunan element tarafından korunur, bu nedenle elektrolitlere karşı daha az reaktif hale getirerek, litik malzemedeki lityum miktarını azaltır. Dezavantajı ve avantajı da var. Dezavantaj, hücrenin voltajındaki azalmaya bağlı olarak performans kaybı şeklinde kendini gösterir, bu nedenle güç ve enerji yoğunluğunu daha da azaltır. Avantajı, elektrokimyasal reaksiyonların yanabilirliği ile ilgili herhangi bir tehlikenin hesaba katılmasıdır.

Yeni Grafit ve Grafitik Olmayan Anotlar

Kish grafit benzeri grafit karbonlar ve değiştirilmiş doğal grafit, sahada çeşitli ilerlemeler sağlamak için kullanılır. Doğal grafitin havadaki oksidasyonu nedeniyle, modifiye grafit üzerinde, son çalışmalara göre elektrokimyasal özellikler daha da artmaktadır. 3000 C ve daha yüksek sıcaklıklarda, daha yüksek enerji gerektiren ve gaz halindeki malzemelerin oluşumuna neden olabilecek grafitik anotların yapay gelişimi için ısıl işlem gereklidir. 372 mAh/g, Kish grafitinin Lityum interkalasyon kapasitelerinin teorik değeridir.

Ayrıca, Kish grafit 1500 C sıcaklıkta üretilebilir. Grafen alanlarına grafitik olmayan karbonlar sahiptir ve grafenin yapısal düzeni sahip değildir. Bunlar düzensiz karbonlardır. Doğal grafenin geri döndürülemez kapasitesi, geri döndürülemez kapasiteleriyle karşılaştırılmaz, yine de katı elektrolit arayüz bozulmasında, bu malzemeler daha az savunmasızdır ve bu da onları metalin çözünmesinin rekabetçi olduğu lityum-manganez oksit ile eşleştirilmek için mükemmel bir aday haline getirir.

Karbonlu (Karbon Bazlı) Anotlar

Başlangıçta söylendiği gibi, grafit anot olarak kullanılacak birincil bir karbon malzemesidir. Eşkenar dörtgen (ABC) veya altıgen (AB) düzenlemelerde paket sayfaları vardır. Evreleme, grafen tabakaları, Li-iyonun yerleştirilmesi üzerine birbirlerinin üstünde AA düzeninde yeniden düzenlendiğinde meydana gelir. Artıları, dikkate değer elektrokimyasal özellikleri, erişilebilirliği ve minimum maliyetidir. Lityum iyon pillerde anahtar anot malzemesi karbondur. Zayıf lityum interkalasyon kapasitesi grafit karbon tarafından Li-iyon alaşımlarından daha fazla sergilenmesine rağmen. Ticari Lityum iyon hücrelerinde ve taşınabilir cihazlarda, esas olarak bir anot malzemesi olarak, grafitik karbonlar kullanılır.

Lityumun optimum döngü kabiliyeti ve daha yüksek kabul görmesi nedeniyle, kristal karbon tarafından talep edilen performans sergilenir. Organik yapısı sayesinde sıcaklık kontrol esnekliğine sahiptir. Karbonlu anotların yüzey ve yapıdaki modifikasyonlarla deşarj kapasitesi ve şarj-deşarj verimliliğinde sürekli iyileştirmeler gösterilmektedir. Hitachi, yeni gelişmeler sağlamak için parçacıkların ve gözeneklerin yapılarını değiştirerek yapay grafit tasarladı.

Katot Malzemeleri

Lityum iyon pil kimyasındaki tüm Lityum iyonlarının aktif ve ana kaynağı katot malzemesidir. Şarj edilebilir Lityum iyon piller veya Lityum metal, pozitif elektrot malzemesinin tercihini belirler. Lityum metal, şarj edilebilir lityum pillerde lityum metal kullanıldığında negatif elektrot işlevi görür, bu nedenle pozitif bir elektrodun litikleştirilmesine gerek yoktur. Lityum iyon durumunda, pozitif terminal, lityuma sahip olmayan negatif olarak işlev gören karbon elektrot nedeniyle Lityum iyonunun kaynağı olarak işlev görmelidir, bu nedenle hücre düzeneği için bir interkalasyon bileşiğine ihtiyaç vardır. Lityum katmanlı metal oksitler, LiFePO4, Li-Mn-O ve LiCoO2 en yaygın katot malzemeleridir.

Lityum Manganez Spinelleri

Li-Mn-O, çağlara dayanan en eski bileşikler olmasına rağmen, hala geniş bir yelpazede kullanılmaktadır. Önce depolarizer olarak kullanıldı. Dikkate değer elektrokimyasal özelliklere sahiptir, ucuzdur ve kolayca erişilebilir. Lityum manganez (Li-Mn), toksik ve pahalı lityum kobalt bazlı (LiCo-O) ve lityum-nikel bazlı (Li-Ni-O) malzemeden daha çok geniş bir yelpazede kullanılan ve yapılması zor olan pil malzemesidir.

Lityum ve küçük helyum iyonlarının araya girmesi için çeşitli formları onu ideal kılar. Spineli ile lambda formu (Mn2Ö4) Lityum iyonunun interkalasyonuna izin verir. Çevresel etkiler, minimum sağlık, yüksek hız kapasitesi ve yüksek termal eşik, Lityum-manganez spinellerinin faydalarından bazılarıdır. Bu bileşikte, 10-6 -10-10 sq. cm / s, bir lityum iyonunun difüzyon hızıdır. Sık döngüde, elektrokimyasal olarak aktif Mn3+ iyonunun 55 ° C sıcaklıkların üzerindeki kararsızlığı nedeniyle kapasitenin azalmasında komplikasyonlar ortaya çıkar. Bu gibi durumlarda, seçilen metal iyonlarının (Mg, Ni, Mg, Fe, Cr, Co, Al, vb.) Dopingi yapılarak iyileştirmeler yapılabilir.) ve çeşitli yapısal stabilite elde etmek için aside dayanıklı malzemelerin LiMn2O4 üzerine kaplanması.

Lityum Metal Oksitler

Lityum iyon piller için, katot için en derinlemesine çalışılan malzeme kobalt oksitler ve lityum nikeldir. Yapının yüksek stabilitesi her ikisini de karakterize eder. Kaynaklar sınırlı olduğu için pahalı ve üretilmesi zordur. Bu katmanlı bileşiklerin katı çözeltilerinin geliştirilmesinde bir çözüm vardır. En yaygın olan katı çözelti bileşikleri Li1.2Cr0.4Mn0.4O2 ve Li Ni0. 5Mn0. 5o2’dir. Araştırmada, aktif haldeki düşük gerilme ile düşük değerlikli geçiş metal iyonlarının kombinasyonunun, yüksek oranlı kabiliyetli katotların anahtarı olduğu görülmektedir. Hızlı boşaltma ve şarj gerektiren uygulamalar için mükemmel malzeme katmanlı metal oksitlerdir. 300 C’nin üzerindeki sıcaklıklara maruz kaldığında, bu malzemeler kapasitede iyi performans gösterir.

Olivinler

LiFePO4, bileşiklerinin adıdır. Toksik değildirler. Lityum-kobalt bazlı katotla karşılaştırıldığında, bunlar tarafından büyük güvenlik avantajları sağlanmakta, bu da onları daha yüksek seviyeli uygulamalar için elverişli ve faydalı kılmaktadır.

Lityum iyon Pillerin Uygulamaları ve Pazar

Şarj edilebilir Lityum iyon piller, diğer pil teknolojilerinden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip oldukları için piyasayı kontrol etmeye devam edecektir. 2011 yılına kadar şarj edilebilir Lityum iyon pil pazarı tarafından yaklaşık 11 milyar dolara ulaşıldı ve büyümeye devam etti. Piyasada yüksek güç yoğunluğuna ve yüksek enerji uygulamalarına ihtiyaç duyulan segmentler var, bu şarj edilebilir piller orada çok kullanılıyor.

Akıllı ev güç sisteminin bir parçası olarak, Fişli Elektrikli Araçlar (pıev’ler) her zaman akıllı şebekenin geleceğini oluşturacaktır. Bu uygulamalara en iyi örnekler Plug-in Hibrit Ev’ler (phev’ler) ve ev’dir. Chevrolet Volt gibi phev’ler ve Tesla Model S gibi ev’ler, araştırmadaki sayısız önemli çabadan sonra artık tüketiciler tarafından kullanılabiliyor. Hepsi Lityum iyon pillerle çalışır. Güvenlik endişeleri, daha yüksek fiyatlar ve yüksek üretim maliyeti bu pazar segmentlerinin sorunlarıdır. Li-ion’un diğer bazı uygulamaları, örneğin endüstriyel enerji santralleri, havacılık, tabletler, dizüstü bilgisayarlar ve cep telefonları gibi ticari taşınabilir teknolojilerdir.

Lityum iyon pilin sayısız faydası vardır. Hafif olmaları, onlara yakın zamanda aranan taşınabilir teknolojiler için mümkün olan en iyi aday olma ayrıcalığını verir. Yüksek enerji yoğunluğu ve yüksek açık devre voltajı bunlara sahiptir. Bertaraf edildiklerinde çevre üzerinde daha az etkiye, küçük bir kendi kendine deşarj oranına ve hafıza eksikliğine sahiptirler. Son zamanlarda olduğu gibi kendi sorunları olmasına rağmen, nedensiz iltihaplar nedeniyle güvenlik endişeleri sürekli olarak gündeme geliyor.

Lityum iyon pillerin yukarıda belirtilen uygulamalarının kullanımıyla ilgili zorluklarla karşılaşılmaktadır. Pilin performansının, kullanıldığı uygulamalarla uyumlu olması gerekir. Sürekli bir endişe, pilin hücre mühendisliği ve kimyasını ayrıntılı olarak inceleyerek ele alınabilecek güvenlik olmaya devam etmektedir. Kapasite olarak ölçülen hücre potansiyeli, enerji yoğunluğu ve pil performansı, negatif ve pozitif elektrotların oluştuğu malzemenin özellikleriyle doğrudan ilişkilidir. Şimdi, elektrot-elektrolit-elektrotun iyi performans düzenlemelerini sağlamak için katot ve anot olarak işlev görebilecek yeni malzemeler bulma konusunda araştırma yapıyorlar.

Sonuç

Li-ion piller kusursuz özellikler sergileme konusunda oldukça yeteneklidir ve bu ancak doğru miktarda şarj aküden akabildiğinde mümkündür. Katot ve Anot malzemeleri bunu yapmayı mümkün kılar, bu nedenle bir pilin temel gerekliliği katot ve anot malzemeleri olduğundan bir pilin onlarsız çalışması imkansızdır.