Baterie litowo-jonowe stały się niezbędne w naszym codziennym życiu
Jul 06, 2021
Od 1990 roku akumulatory litowo-jonowe stały się niezbędne w naszym codziennym życiu, a zakres ich zastosowań rozszerza się obecnie od mobilnych urządzeń elektronicznych po pojazdy elektryczne, elektronarzędzia i stacjonarne magazyny energii. Stale powiększający się rynek przenośnych produktów elektronicznych oraz nowe wymagania rynku transportowego i stacjonarnych pamięci masowych wymagają ogniw o zwiększonej gęstości energii, gęstości mocy, cykliczności i bezpieczeństwie. Krótko mówiąc, aby uzyskać lepszą wydajność. Te nowe potrzeby pobudziły badania i optymalizację nowych materiałów do akumulatorów litowo-jonowych.
Rys. 1. Liczba publikacji naukowych na temat materiału LiFePO4 w ciągu ostatnich 40 lat. Źródło: Scifinder Scholar™ 2007.
Celem pracy jest pokazanie ewolucji chemicznych metod preparatywnych stosowanych do syntezy nowych materiałów elektroaktywnych lub polepszenia właściwości elektrochemicznych już istniejących oraz porównanie poprawy wydajności uzyskanej dzięki nowym
obróbka materiałów. W ten sposób zostaną przeanalizowane metody syntezy kilku materiałów elektrodowych do akumulatorów Liion. Opisane zostaną głównie materiały katodowe, takie jak tlenki warstwowe pochodzące z pochodnych spinelu LiCoO2 lub LiMn2O4. Faza oliwinowa LiFePO4, materiał, który oprócz posiadania odpowiedniego napięcia zapewniającego bezpieczeństwo, jest wykonany z tanich i obfitych pierwiastków, zostanie szczególnie zauważony ze względu na jego niezwykłe znaczenie w ostatnich latach (rysunek 1).
W ostatnich latach nanonauka mocno wkroczyła w dziedzinę materiałów akumulatorowych. Dzięki nanodyspersyjnemu i nanostrukturyzacji nie tylko znacznie poprawiono wydajność wcześniej znanych materiałów, ale pojawiły się także nowe materiały i reakcje elektrochemiczne. Zatem wytwarzanie nanostrukturalnych elektrod stało się jednym z głównych celów w zakresie materiałów akumulatorowych.
Po pierwsze, mały rozmiar i duża powierzchnia nanomateriałów zapewniają większą powierzchnię kontaktu pomiędzy materiałem elektrody a elektrolitem. Po drugie, odległość, jaką jony Li muszą rozproszyć przez elektrodę, ulega skróceniu. Dlatego w przypadku elektrod nanostrukturalnych można oczekiwać szybszej zdolności ładowania/rozładowania, to znaczy większej szybkości. W przypadku bardzo małych cząstek potencjały chemiczne jonów litu i elektronów mogą zostać zmodyfikowane, co spowoduje zmianę potencjału elektrody. Co więcej, zakres składu, w którym istnieją roztwory stałe, jest często szerszy w przypadku nanocząstek, a naprężenie związane z interkalacją jest często lepiej dostosowane. Co więcej, w elektrodach nanostrukturalnych pojawiły się nawet nowe reakcje elektrochemiczne, takie jak reakcje konwersji anod. Zatem morfologia i rozmiar materiałów elektrodowych stały się kluczowym czynnikiem wpływającym na ich działanie, a procesy syntezy ewoluowały w kierunku materiałów nanoarchitekturowych.
W tym rozdziale dokonamy przeglądu najczęściej stosowanych metod syntezy od początków głównych badań nad akumulatorami litowo-jonowymi aż do najnowszych. Omówiona zostanie ewolucja wydajności materiałów w wyniku nowych systemów przetwarzania.