Ni, CO, MN, Al vaidmuo trišalėje medžiagoje

Ličio jonų baterijos (LIB) yra šiuolaikinės elektronikos ir elektrinių transporto priemonių (EV) jėgainė, o jų našumas priklauso katodų medžiagoms. Tarp jų, dėl jų subalansuoto energijos tankio ir stabilumo, dominuoja trišalės katodo medžiagos, tokios kaip NCM (nikelio-kobalto-Mangano oksidai) ir NCA (nikelio-kobalto aliuminio oksidai). Tačiau keičiant nikelio (Ni), kobalto (CO), mangano (MN) ar aliuminio (Al) santykį, daro didelę įtaką jų elektrocheminiam elgesiui. Išskirkime kiekvieno elemento vaidmenis ir tai, kaip jų proporcijos daro įtaką akumuliatoriaus našumui.

1. Nikelis (NI): energijos tankio stiprintuvas

Pagrindinės funkcijos

• Didelės talpos: nikelis yra pagrindinis pajėgumų veiksnys. Jis patiria redokso reakcijas (Ni²⁺ ↔Ni³⁺ ↔ni⁴⁺) įkrovos/iškrovos metu, leidžianti ekstrahuoti ir įterpti ličio jonus. Didesnis nikelio kiekis padidina specifinę medžiagos talpą (pvz., NCM811 suteikia ~ 200 mAh/g, palyginti su NCM111 ~ 160 mAh/g).
• Įtampos profilis: Nikelio turtingi katodai pasižymi didesne vidutine iškrovos įtampa (~ 3,8 V), tiesiogiai padidindami energijos tankį.
• Struktūriniai iššūkiai:
• Phase Transitions: At high nickel levels (>80%), sluoksniuotos struktūros (pvz., -Nafeo₂ tipo) paprastai virsta netvarkingomis spinelio ar uolienų druskos fazėmis ciklo metu, todėl negrįžtamas pajėgumo praradimas.
• Katijonų maišymas: ni²⁺ions (joninis spindulys ~ {{{0}}. 69å) gali migruoti į li⁺sits (0,76å), blokuodamas ličio difuzijos kelius ir pagreitinant skilimą.

Nikelio turinio poveikis

• High-Ni katodai (pvz., NCM811, NCA):
• Argumentai "už": Energijos tankis iki 300 Wh/kg, idealiai tinka EV, kuriems reikalingas ilgas važiavimo diapazonas.
• Suvart: blogas šiluminis stabilumas (šiluminis bėgimas prasideda nuo ~ 200 laipsnių), trumpesnis ciklo tarnavimo laikas (~ 1, 000 ciklai, esant 80% talpos sulaikymui).
• Smulkinimo strategijos: Paviršiaus dangos (pvz.

2. Kobaltas (CO): konstrukcinis stabilizatorius

Pagrindinės funkcijos

• Struktūrinis vientisumas: co³⁺ppressuoja katijonų maišymą, palaikydamas stiprias koordinas jungtis, išsaugodamas sluoksniuotą struktūrą.
• Elektroninis laidumas: CO padidina elektronų pernešimą, mažindamas vidinį pasipriešinimą ir pagerina greičio galimybes.
• Etiniai ir ekonominiai klausimai: Kobaltas yra brangus (~ 50 USD, 000/ton) ir susijęs su neetiška kasybos praktika Kongo Demokratinėje Respublikoje (KDR), skatinant ją pašalinti.

Kobalto turinio poveikis

• Aukšto Co katodai (pvz., NCM523):
• Pros: Excellent cycle life (>2, 000 ciklai), stabilios įtampos išvestis.
• Suvart: brangu, ribotas tvarumas.
• Žemos CO/CO be alternatyvos:
• Mangano pakeitimas: Mn arba Al pakeičia CO NCMA (Ni-CO-MN-AL) katoduose.
• Linio₂ pagrindu pagamintos medžiagos: tiriami gryni nikelio katodai, tačiau susiduria su sunkiu struktūriniu nestabilumu.

3. Manganas (MN) ir aliuminis (AL): stabilumo stiprintuvai

Manganas NCM

• Thermal Stability: Mn⁴⁺forms strong Mn-O bonds, delaying oxygen release at high temperatures (>250 laipsnis NCM Vs.<200°C for high-Ni systems).
• Išlaidų mažinimas: mangano yra gausu ir pigu (~ 2 USD, 000/tonos), sumažina medžiagų išlaidas.
• Drawbacks: Excess Mn (>30%) skatina spinelio fazės susidarymą (pvz., Limn₂o₄), mažinančią talpą ir įtampą.

Aliuminis NCA

• Struktūrinis armatūra: al³⁺ (joninis spindulys ~ 0. 54å) užima pereinamąsias metalo vietas, sumažindamas katijonų maišymą ir gerinant ciklo tarnavimo laiką.
• Saugos padidinimas: „Al-O“ jungtys yra labai stabilios, todėl šiluminės prievartos metu sumažėja deguonies evoliucija.
• Trade-offs: High Al content (>5%) skaido elektroninį laidumą, reikalaujant nanosizuojančių ar anglies priedų.

4. Elementų balansavimas: populiarios kompozicijos ir kompromisai

5. Ateities tendencijos ir naujovės

Aukštos NI, mažai ko-CO sistemos

• Goal: Achieve >350 WH/kg energijos tankis, tuo pačiu sumažinant kobaltą (pvz., NCM9½½, NCMA).
• Iššūkiai: Ni sukelto skilimo valdymas per atominio sluoksnio nusėdimo (ALD) dangas arba gradiento struktūras (šerdies apvalkalo dizainas).

Kietojo kūno baterijos

• Triauninės medžiagos, suporuotos su kietų elektrolitų (pvz., Li₇la₃zr₂o₁₂), galėtų slopinti dendritus ir sustiprinti saugumą.

Tvarumo iniciatyvos

• Perdirbimas: Ni/CO atkūrimas iš panaudotų baterijų (pvz., Hidrometalurgijos), siekiant sumažinti priklausomybę nuo kasybos.
• Katodai be kobalto: MN turtingas LNMO arba „Lifepo₄“ išlaidoms jautrioms pritaikymams.

Išvada

Trieninės katodinių medžiagų chemija yra subtilus šokis tarp energijos tankio, ilgaamžiškumo, saugumo ir išlaidų. Nikelis skatina talpą, tačiau destabilizuoja struktūrą, kobalto tvirtinimo stabilumas už didelę kainą, o mangano ir aliuminio armatūra siūlo prieinamą armatūrą. Kadangi pramonė eina link NI turtingos, bendrosios sistemos, medžiagų inžinerijos ir perdirbimo proveržiai bus svarbiausia maitinti naujos kartos EV ir atsinaujinančios energijos kaupimą.

Sužinokite daugiau apieNCM katodo medžiagosirNCA katodo medžiagosLičio jonų akumuliatorių tyrimams ir gamybai