הבנת התכונות החומריות של רכיבים סוללות ליתיום-יון חיונית לשיפור הביצועים שלהם, הבטיחות והארוכותיות שלהם.סוללות אלה כוח כל דבר מסמארטפונים ומחשבים ניידים לרכבים חשמליים ולאחסון באנרגיה בקנה מידה רשת, מה שהופך את היעילות שלהם לאזור קריטי של מחקר ופיתוח.ההתנהגות המקרוסקופית של סוללה - הדחיסות אנרגיה מתחדשת, יכולת, מחזור חיים ובטיחות - גירויים מאינטראקציות מיקרוסקופיות של אטומים, ויצרנים אמינים יותר, יכולות להשיג את החומרים המשתנים יותר, חומרים הנדסיים יותר, ואלקטרוניקה, תוך כדי שיפור, חומרים אלה, וטכנולוגיות טכנולוגיות חכמות יותר, יכולות להשיג יותר, וטכנולוגיות אבטחה, וטכנולוגיות אבטחה, וטכנולוגיות אבטחה, יכולות יותר, יכולות יותר, יכולות יותר, יכולות להשיג יותר, יכולות יותר, יכולות להשיג יותר, יכולות יותר, יכולות לשפר את התכונות הקלות יותר, יכולות להיות מסוגלות, על ידי אלקטרוניקה, על ידי אלקטרוניקה, על ידי אלקטרוניקה, וטכנולוגיות טכנולוגיות חכמות, וטכנולוגיות אבטחה, על ידי למערכות אלקטרוליטיות, וטכנולוגיות טכנולוגיות חכמות יותר, יכולות יותר, יכולות יותר, יכולות יותר, על ידי אלקטרוניקה, יכולות יותר, יכולות יותר, אלקטרוניקה, אלקטרוניקה, למערכות אבטחה, יכולות יותר, יכולות יותר, יכולות להשיג יותר, יכולות להשיג

תכונות חומריות בסיסיות שגורמות ל-Defin Battery Performance

כמה תכונות חומריות בסיסיות קובעות באופן קולקטיבי כמה סוללה ליתיום-יון מופיעה בתנאים תפעוליים שונים.אלה כוללים מוליכות חשמלית, מוליכות אקולוגית, יציבות תרמית, כוח מכני, יציבות כימית ויציבות אלקטרוכימית.כל נכס אינטראקציה עם האחרים בדרכים מורכבות, וקידוד אחד לעתים קרובות דורש איזון בין עסקאות עם אחרים.

יעילות חשמלית

מוליכות חשמלית שולטת בזרימת יעילה של אלקטרונים בין החלקיקים החומריים הפעילים לבין האספן הנוכחי במהלך המטען והשחרור. חומרים עם מוליכות אלקטרונית גבוהה ממזערים את ההפסדים הוממתיים ותמיכה במבצע גבוה. Graphite, חומר האידיאה הסטנדרטי, מציג מוליכות אלקטרונית טובה לאורך מטוסי הבסטל שלה, המאפשרים העברת אלקטרון מהירה.

באופן בלעדי, מוליכות אלקטרונית בתרכובות אלקטרודה בדרך כלל נע בין 1003FLT:0-203FLT:1 ל 1003FLT:2FLT 3 S / ס"מ התנהגות ירודה מובילה לקיטוב, קיבולת מופחתת בשיעורי פריקה גבוהה, וחוקרים מקומיים מפעילים לעתים קרובות ציפויים מוליכים, כגון פחמן-קוטינג על LiFePO4, כדי לשפר את התכונות אלקטרו-כימיקליות ללא שינוי גודל אלקטרו-כימיקלי.

התנהגות איטונית

(הופנה מהדף ה-Ionic Conductivity of the אלקטרוליט והחומרים הפעילים עצמם. Lithium ions חייב לעבור דרך אלקטרוליט, מעבר ל-Sparator, ובחלקיקים אלקטרודה המוצקים כדי להבחין בין-קליד או deintercalate. Lithium אלקטרוליט בדרך כלל להשיג מוליכות אקוסטיות של 10FLT:0-2F1 LT 1 S/CM, בעוד טווח אלקטרו-סימטרי של 10:2Fide)

יציבות

יציבות תרמית חיונית לבטיחות.חומרים המפרקים או מגיבים באופן קיצוני בטמפרטורות גבוהות יכולים ליזום מפלט תרמי, תגובת שרשרת המשחררת חום מהר יותר מאשר ניתן להתפזר, שעלולה להוביל לשריפות או לפיצוצים. Cathode חומרים שונים ביציבות תרמית: Lithium phosto (LFP) היא יציבה בטמפרטורות גבוהות, בעוד NMC ו- NCA פולטת את ה-160° בדרך כלל משוחררת ממתכת (משחררת) מגובה בטמפרטורות נמוכות יותר מ-160 ליטרים).

כוח מכני

תכונות מכניות קובעות כיצד חומר יכול לעמוד בלחצים פיזיים במהלך הייצור, הרכבה תאים, רכיבה על אופניים (שינויים כרכים), והשפעות פוטנציאליות. Anodes עם יכולת ספציפית גבוהה, כגון סיליקון, לעבור ההרחבה של עד 300% במהלך ההצתה, גרימת סדקים חלקיקים, אובדן מגע חשמלי, ו SEI חזק, סרום גמיש מסייע למנוע מעגלים קצרים הנגרמים על ידי dendium dends או ריצוף חיצוני של פונקציות מעגליות).

רגישות כימית ואלקטרוכימית

חומרים יציבים מבחינה כימית מתנגדים להשפלה לאורך זמן באמצעות תגובות צד עם אלקטרוליט או עם זה.שכבת SEI על השבר היא מוצר ישיר של יציבות אלקטרו-כימית - זה טפסים כי אלקטרוליט הוא לא יציב יחסית בפוטנציאלים נמוכים. a יציב, רזה SELilides הוא קריטי עבור מחזור ארוך.

השפעות של נכסים חומריים על סוללת Components

הממשק של תכונות אלה קובע את ביצועי הסוללה הכוללת.כל רכיב – נדדה, קטוודה, אלקטרוליט, מפריד, אספנים נוכחיים – יש דרישות חומריות ספציפיות שיש לטפל בו זמנית.

חומרים

Graphite נשאר את הטבעת הדומיננטית בשל העלות הנמוכה שלה, מוליכות אלקטרונית טובה, יכולת בינונית ( ⁇ 730 mAh / ס"מ3), ושינוי נפח קטן יחסית ( ⁇ 10%) עם זאת, יכולת הgravimetric שלה מוגבלת ל 372 mAh /g. סיליקון odes מציעים עד 3579 mAh / g (Li15Si4) אבל סובלים מהתרחבות מסיבית, אשר שברים חלקיקים debilating הראשון עם קיבולת מתכתית) אבל יש צורך מסיבית (Riciallyi) אבל יש צורך מכנית) עם ⁇ ds) עם קיבולת מתכתית גבוהה יותר מדיום) אבל יש צורך להגדיר מראשית, אבל ⁇ ds ⁇ ds (Ricially לפצות על ידי ⁇ ds) אבל יש צורך הראשון עם ⁇ ds) עם ⁇ ds) עם ⁇ ds) עם ⁇ ds עם ⁇ dially לפצות על ידי פחמן-Ricially לפצות על ידי פחמן-R.

חומרים קסדה

Cathodes לקבוע את מתח התא וחלק גדול של צפיפות האנרגיה. oxides שכבתי (NMC, NCA) מציעים יכולת גבוהה (180-220 mAh/g) אבל על חשבון יציבות תרמית ועלות cobalt. LFP מספק בטיחות מעולה וחיי מחזור ארוכים (2000 + מחזורים) עם יכולת מתונה של 160 / g. גבוה ספין-ל NMO (NPRN) הם פחות מ -1.5nicics, אבל הם סובלים מ-R.

אלקטרוליטים

אלקטרוליטים נוזליים מורכבים מלחים היברידיים (LiPF6) מומסים במנועי פחמן אורגניים (EC, DMC, DEC, EMC) Additives כמו VC,625, ו-PS משפרים את היווצרות SEI ויציבות גבוהה בטיפוח גבוה (Lyton Conducts) אך הם זקוקים למשקפיים גבוהים יותר ( ⁇ mS/CM), אך הם עמידים וחלון אלקטרוכימיים נמוכים יותר (LSPE) מכילים אלקטרו-חמצני).

ספרדים

ה-Sparator הוא membrane כי מבודד אלקטרונית את aode ו Cathode בעת מתן תחבורה ionic. Polyethylene (PE) ופוליפרופילן (PP) נפוצים בשל עלות נמוכה וכוח מכני טוב.עם זאת, הם מתכווץ בטמפרטורות גבוהות, סיכון מעגלים קצרים פנימיים. Ceramic-coated Separators (alina אוlica) חלקיקים מכניים טובים יותר, הם בעלי עוצמה תרמית (נפחים) ויציבות גבוהה יותר ( ⁇ ) הם בעלי עוצמה).

אספן ו Binders

קובצי ה-Copper והאלומיניום הם סטנדרטיים עבור אספנים נוכחיים, בהתאמה. Copper חייב להיות מוגן מפני חמצון בפוטנציאלים גבוהים (הנס שלא נעשה בו שימוש בצד קטוודה) , ⁇ נר (10 μm) להפחית במשקל אך דורש מספיק כוח מכני עבור רוחות. Binders כמו PVDF להחזיק את החומר הפעיל ומוליכים יחד.

מצבי הפחתת וכישלון מונעים על ידי חומרים

ההידרדרות בסוללות היא תהליך מורכב הכולל מנגנונים מרובים, שרבים מהם מקורם מנכסים חומריים לא מספיקים.הבנתם אלה מאפשרת עיצוב חומרים ממוקד.

יכולת Fade

אובדן ליתיום פעיל עקב צמיחה מתמשכת SEI, ליתיום בשפע, ופירוק חומר קטוודה מפחית את היכולת. in Graphite anodes, SEI היווצרות צורכת - 5-10% של יכולת מחזור ראשונה; גורמים ממושכים SEI העשבים ו אלקטרוליטטה depletion. at the Cathode, השפלה מבנית (מעברים, אובדן חמצן בשכבה oxides) להפחית את מספר אתרי העייפות זמינים ממולקולות פעיל.

צמיחה

התנגדות פנימית מוגברת מ SEI degraded, היווצרות סרט על קטואדה, ואובדן מגע חשמלי באלקטרודות מגביל את יכולת הכוח. Properties כמו מוליכות אקולוגית וזיהום אלקטרוני משפיע ישירות על האבולוציה של חוסר הפחתת.

Lithium Dendrites ו- Short Circles

כאשר צפיפות הזרם המקומי עולה על השיעור שבו ליתיום יכול intercalate או להיות מועבר, מתכת ליתיום מתכת יכול צלחת לא אחיד, להרכיב dendrites. זה מחמיר על ידי מוליכות אלקטרוליטטית נמוכה, שיעורי מטען גבוה, וטמפרטורות נמוכות. Dendrites יכול לפשט את ה-Sparator, גרימת מעגלים קצרים פנימיים וריצה תרמית.

Thermal Runaway

לאחר שהתגלגל (למשל, על ידי קצר פנימי, תשלום יתר או חום חיצוני), ריצות תרמיות מתקדם דרך פירוק חיצוני של SEI, התגובה של aode עם אלקטרוליטה, שחרור חמצן קטוודה (עבור תחמוצות שכבתיות), ו אלקטרוליטיקה של הבעירה (הטמפרטורה של ההתחלה וקצב שחרור חום תלויים ביציבות תרמית.

חומרים מתעוררים וגישות להגבלות Overcome

מחקר סוללות הדור הבא מתמקד בחומרים כי בו זמנית להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה, חיי מחזור ארוכים, בטיחות מעולה.כמה כיוונים מבטיחים הם רדוף.

זוועות סודיות

באמצעות סיליקון nanostructured (למשל, nanowires, חלקיקים ⁇ ) וקושרים מתקדמים (פולימרים מוליכים, פולימרים עצמיים,), החוקרים יכולים להתאים שינויים בנפח.שיטות קדם-הליטיזציה לפצות על הפסדים מחזוריים ראשונים.

ניקל-ריץ' וקובלט-חופשיים

הגדלת תוכן ניקל (למשל, NMC90, NMC95) מגביר את היכולת אבל דורש עיבוד זהיר כדי למזער את תגובת פני השטח. חלקיקים חד-קריסטל קטודה הם פחות נוטים לפצח מאשר פוליקליסטלים agglomerates. Cobalt-free חלופות כמו LNMO ו- Li-riched oxides (x2nO3) הם תחת בעיות חמצן אינטנסיביות.

המדינה הקומפקטית אלקטרוליטים

אלקטרוליטים מוצקים מבטיחים לחסל נוזלים עמידים, לאפשר ליתיום מתכת עיקולות, ומאפשרים תפעול גבוה של מוליכים גבוהה. Sulfide מבוסס אלקטרוליטים (למשל, Li6PS5Cl) השיגו מוליכים > 10 mS/cm, ליידות יריבות, אבל הם רגישים לחמצן אלקטרוליטים (למשל, LLZ) הם יציבים נגד אלקטרוליום עתיר.

ספרדית מתקדמת ו-Keltings

מפרידים לא זועמים שנעשו מפולימניד או צלולוז יכולים לעמוד > 200 מעלות צלזיוס, שכבות קרמיקה דקות על מפרידים משפרות את העוצמה המכנית ואת היציבות התרמית תוך שמירה על הציפוי פולימרים עצמיים על חלקיקים יכול לתקן סדקים באופן דינמי.

Machine Learning and High- Throughput Screening

חומרים אינפורמטיביים מאיצים גילוי של אלקטרוליטים חדשים, יצירות קטודות, וציפוי. על ידי חיזוי מוליכות איטונית, יציבות, והתאמה למודלים חישוביים, החוקרים יכולים לצמצם את מרחב החיפוש לפני אימות ניסיוני. לדוגמה, מחקרים אחרונים זיהו מוליכים על-על חדשים באמצעות אופטימיזציה גנטית של מבנים גבישיים.

מסקנה

תכונות חומריות ממלאות תפקיד בסיסי בביצוע סוללות ליתיום-יון. מוליכות חשמלית ואטונית, יציבות תרמית וכימיקלית, כוח מכני וחלונות אלקטרוכימיים קובעים באופן קולקטיבי צפיפות אנרגיה, יכולת כוח, מחזור חיים ובטיחות.התקדמות ב-Nanomaterials, בדיקות אלקטרוליטיות מוצקות ואדריכלות מתוחכמות יותר על פני הפרסומות הטמונות בין תכונות אלה להמשיך במחקר בין-תחומי - החל מ-F1 לתובנות טכנולוגיות חיוניות יותר: