क्याथोड सामग्री लिथियम आयनहरूको प्राथमिक स्रोत होलिथियम-आयन ब्याट्री। चार्ज गर्दा, लिथियम आयनहरू क्याथोड सामग्रीको क्रिस्टल जालीबाट निकालिन्छन् र एनोड सामग्रीमा प्रवेश गर्छन्; उल्टो डिस्चार्ज गर्दा हुन्छ। चार्जिङ र डिस्चार्ज गर्दा क्याथोड सामग्रीको उल्टाउन मिल्ने क्षमता र भोल्टेज पठारले ठूलो मात्रामा लिथियम-आयन ब्याट्रीको ऊर्जा घनत्व निर्धारण गर्छ। यसबाहेक, क्याथोड सामग्रीमा लिथियम, कोबाल्ट, र निकल जस्ता धातुहरू समावेश भएकाले, यसले लिथियम-आयन ब्याट्रीको लागतको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण भाग बनाउँछ।
उच्च ऊर्जा घनत्व, उच्च आउटपुट भोल्टेज, लामो सेवा जीवन, र निर्माणको सहजताको साथ क्याथोड सामग्रीहरू विकास गर्नु महत्त्वपूर्ण छ। एक आदर्श क्याथोड सामग्री निम्न आधारभूत सर्तहरू पूरा गर्नुपर्छ।
(१) ब्याट्रीको लागि उच्च आउटपुट भोल्टेज सुनिश्चित गर्दै उच्च रेडक्स क्षमता राख्छ।
(२) उच्च ब्याट्री क्षमता सुनिश्चित गर्दै, सकेसम्म धेरै लिथियम आयनहरू समायोजन गर्न सक्छ।
(3) लिथियम आयनहरू सम्मिलित र निकासीको समयमा, क्याथोड सामग्रीले यसको संरचनात्मक स्थिरता कायम राख्न सक्छ, यसरी इलेक्ट्रोडको लागि लामो चक्र जीवन सुनिश्चित गर्दछ।
(4) उत्कृष्ट इलेक्ट्रोनिक र आयन चालकता छ, प्रभावकारी रूपमा ध्रुवीकरण प्रभावहरूबाट हुने ऊर्जा हानि कम गर्छ, जसले ब्याट्रीको द्रुत चार्ज र डिस्चार्ज क्षमताहरू सुनिश्चित गर्दछ।
(5) ब्याट्रीको अपरेटिङ भोल्टेज दायरा इलेक्ट्रोलाइटको इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता दायरा भित्र हुनुपर्छ, जसले गर्दा इलेक्ट्रोड सामग्री र इलेक्ट्रोलाइट बीचको अनावश्यक रासायनिक प्रतिक्रियाहरू कम हुन्छ।
(६) यसको कम लागत र सरल संश्लेषण प्रक्रिया मात्र होइन, यसले उच्च वातावरणीय मित्रता पनि प्रदर्शन गर्नुपर्छ।
यसबाहेक, क्याथोड सामग्रीले उत्कृष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल र थर्मल स्थिरता पनि प्रदर्शन गर्नुपर्छ।
अवस्थित क्याथोड सामग्रीहरूलाई तिनीहरूको क्रिस्टल संरचना भिन्नताहरूको आधारमा मुख्यतया तीन कोटिहरूमा विभाजन गर्न सकिन्छ: ① स्तरित संरचना, जस्तै लिथियम कोबाल्ट अक्साइड (LiCoO2) र टर्नरी सामग्री (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② ओलिभिन संरचना, जस्तै लिथियम आइरन फस्फेट (LiFePO4); ③ स्पिनल संरचना अक्साइडहरू, जस्तै लिथियम म्यांगनीज अक्साइड (LiMn2O4) र लिथियम निकल म्यांगनीज अक्साइड (LiNi10.5Mn1.5O4)। विभिन्न प्रकारका क्याथोडहरूमा विभिन्न ऊर्जा घनत्वहरू, इलेक्ट्रोकेमिकल विशेषताहरू, र लागतहरू हुन्छन्, अन्ततः तिनीहरूलाई विभिन्न क्षेत्रहरू र अनुप्रयोग परिदृश्यहरूको लागि उपयुक्त बनाउँछ। स्तरित संरचना क्याथोड सामग्रीहरूले मुख्यतया लिथियम कोबाल्ट अक्साइड, लिथियम निकल कोबाल्ट म्यांगनीज अक्साइड, र लिथियम-रिच म्यांगनीज अक्साइड सहित, स्तरित माइक्रोक्रिस्टलाइन संरचना भएका क्याथोड सामग्रीहरूलाई जनाउँछ। ती मध्ये, लिथियम कोबाल्ट अक्साइड र लिथियम निकल कोबाल्ट म्यांगनीज अक्साइड हाल डिजिटल इलेक्ट्रोनिक उत्पादनहरूमा लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू र पावर लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि सबैभन्दा व्यापक रूपमा प्रयोग हुने क्याथोड सामग्रीहरू हुन्। तिनीहरू उच्च ऊर्जा घनत्व, उत्कृष्ट चक्र प्रदर्शन, र राम्रो समग्र प्रदर्शन द्वारा विशेषता छन्, तर निकल, कोबाल्ट, र म्यांगनीज जस्ता धातुहरूको उच्च अनुपातले उच्च लागत निम्त्याउँछ।
लिथियम कोबाल्ट अक्साइड क्याथोड सामग्री
लिथियम कोबाल्ट अक्साइड (LiCoO2) अमेरिकी वैज्ञानिक र रसायनशास्त्रमा नोबेल पुरस्कार विजेता जेबी गुडेनफले पत्ता लगाएका थिए र पहिलो पटक सन् १९९० को दशकमा जापानको सोनी कर्पोरेशनले बजारमा ल्याएका थिए। आज पनि, लिथियम कोबाल्ट अक्साइड उच्चतम भोल्युमेट्रिक ऊर्जा घनत्व भएको क्याथोड सामग्री मध्ये एक रहन्छ। यस कारणले, यो व्यापक रूपमा डिजिटल पाउच सेल उत्पादनहरूमा प्रयोग गरिन्छ जसलाई उच्च भोल्युमेट्रिक ऊर्जा घनत्व चाहिन्छ, जस्तै मोबाइल फोनहरू, स्मार्टवाचहरू, र ब्लुटुथ हेडसेटहरू।
Lithium cobalt oxide (LiCoO2), as one of the earliest commercially available cathode materials, possesses a volumetric energy density unmatched by other cathode materials. Electrodes prepared from LiCoO2 can achieve a compaction density exceeding 4.2 g/cm², and a specific capacity of 185 mA·h/g at high voltage (>4.45V)। यसबाहेक, LiCoO2 ले तुलनात्मक रूपमा उच्च इलेक्ट्रोनिक र आयनिक चालकता, पावर दक्षता, र द्रुत-चार्जिङ विशेषताहरू प्रदर्शन गर्दछ, वर्तमान उपभोक्ता इलेक्ट्रोनिक्स ब्याट्रीहरूको आवश्यकताहरू पूरा गर्दछ र यसरी अनुप्रयोगहरूको विस्तृत श्रृंखला भएको छ। यी गुणहरूको आधारमा, LiCoO2 अहिलेसम्मकै उत्कृष्ट क्याथोड सामग्रीहरू मध्ये एक हो।
लिथियम कोबाल्ट अक्साइडका लागि मुख्य संश्लेषण विधिहरूमा उच्च-तापमान ठोस-स्टेट संश्लेषण, सोल-जेल संश्लेषण, र कम-तापमान कोप्रसिपिटेशन समावेश छ। उच्च-तापमान ठोस-स्टेट संश्लेषणमा लिथियम लवण र कोबाल्ट-अक्साइड वा हाइड्रोक्साइडहरू एक विशिष्ट स्टोइचियोमेट्रिक अनुपातमा मिलाएर मिश्रणलाई एक निश्चित समयको लागि उपयुक्त तापक्रममा क्याल्साइन गर्ने, त्यसपछि चिसो, पल्भराइज गर्ने, नमूनाहरू प्राप्त गर्ने कार्य समावेश छ। यद्यपि उच्च-तापमान ठोस-राज्य संश्लेषण विधि औद्योगिक उत्पादनमा व्यापक रूपमा प्रयोग गरिन्छ, यो समय-उपभोग गर्ने हो, उच्च संश्लेषण तापमान चाहिन्छ, र महत्त्वपूर्ण स्टोइचियोमेट्रिक विचलनका साथ ठूलो, असमान एकरूप पाउडरहरू उत्पादन गर्दछ, जसको परिणामस्वरूप लागतमा पर्याप्त वृद्धि हुन्छ।
फास्फेट क्याथोड सामग्री
1997 मा, Goodenough et al। लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि क्याथोड सामग्रीको रूपमा लिथियम आइरन फस्फेट (LiFePO4) लाई पहिले प्रस्ताव गरिएको थियो।
यसको कम लागत, स्थिर संरचना, र उच्च सुरक्षाको कारणले गर्दा, यो सामग्री बिस्तारै इलेक्ट्रिक बस र ऊर्जा भण्डारण प्रणालीहरूमा लिथियम- आयन ब्याट्रीहरूको लागि मनपर्ने क्याथोड सामग्रीहरू मध्ये एक बन्न पुगेको छ।
लिथियम आयरन फस्फेट (LiFePO4) ले समान क्रिस्टल संरचना र फलाम फास्फेट (FePO4) सँग क्रिस्टल प्रणाली साझा गर्दछ। यसको मतलब यो हो कि सामग्रीले लिथियम-आयन सम्मिलन/निकासीको क्रममा न्यूनतम भोल्युम परिवर्तनको अनुभव गर्दछ, प्रभावकारी रूपमा भोल्युम विस्तार वा संकुचनको कारण जाली क्षतिलाई रोक्न। यसबाहेक, यो विशेषताले कणहरू र प्रवाहकीय additives बीच राम्रो विद्युतीय सम्पर्क सुनिश्चित गर्दछ, उत्कृष्ट चक्र स्थिरता र लामो आयुको परिणाम। थप रूपमा, लिथियम आइरन फस्फेट यसको पर्यावरण मित्रता, लागत-प्रभावकारिता, उत्कृष्ट सुरक्षा, उच्च विशिष्ट क्षमता (लगभग 170 mA·h/g), र स्थिर चार्ज/डिस्चार्ज प्लेटफर्मको लागि प्रख्यात छ। यी फाइदाहरूलाई ध्यानमा राख्दै, लिथियम आइरन फस्फेटलाई ठूलो मात्रामा ऊर्जा भण्डारण अनुप्रयोगहरूमा क्याथोड सामग्रीहरूको लागि एक आदर्श विकल्प मानिन्छ।
विधिहरूमा सोल-जेल प्रक्रियाहरू, कोप्रेसिपिटेशन प्रविधिहरू, र हाइड्रोथर्मल संश्लेषण समावेश छन्। विशेष गरी, हाइड्रोथर्मल संश्लेषणले सीधा तापमान र दबाब बढाएर अटोक्लेभमा लक्षित उत्पादन उत्पन्न गर्दछ, कच्चा मालको रूपमा सजिलैसँग उपलब्ध फलाम, लिथियम र फस्फोरस यौगिकहरू प्रयोग गरेर। यो विधि यसको सरल सञ्चालन, सानो र एकसमान कण आकार, र कम ऊर्जा खपत को लागी परिचित छ। यद्यपि, यसको औद्योगिक उत्पादनका लागि सीमितताहरू छन्, मुख्य रूपमा विशेष रूपमा डिजाइन गरिएको दबाब- प्रतिरोधी कन्टेनरहरूको आवश्यकताको कारणले। अर्कोतर्फ, कोप्रेसिपिटेशन एक समाधान प्रणालीमा सञ्चालन गरिन्छ, जहाँ पूर्ववर्ती आकारविज्ञान विभिन्न कारकहरू जस्तै एकाग्रता, तापमान नियन्त्रण, पीएच समायोजन, र हलचल दरले प्रभावित हुन्छ। यी प्यारामिटरहरूले अन्तिम sintered LiFePO सामग्रीको प्रदर्शनमा निर्णायक भूमिका खेल्छन्, प्रयोगात्मक अवस्थाहरूको सावधानीपूर्वक चयन महत्त्वपूर्ण छ। यस विधिद्वारा तयार गरिएका उत्पादनहरूमा उत्कृष्ट माइक्रोस्ट्रक्चर विशेषताहरू (अर्थात्, सानो र एकसमान कण आकार) मात्र नभएर उत्कृष्ट विद्युत रासायनिक गुणहरू पनि प्रदर्शन हुन्छन्; यद्यपि, यो ध्यान दिन लायक छ कि सम्पूर्ण सञ्चालन प्रक्रिया अपेक्षाकृत जटिल छ, र प्रशोधनका क्रममा फिल्टरेशन चुनौतीहरू र फोहोर व्यवस्थापनका समस्याहरू उत्पन्न हुन सक्छन्।
लिथियम म्यांगनीज अक्साइड र लिथियम-रिच म्यांगनीज-क्याथोड सामग्रीहरू
लिथियम म्यांगनीज अक्साइड
लिथियम-आयन ब्याट्री क्याथोड सामग्रीको अनुसन्धानमा, अर्को महत्त्वपूर्ण र व्यावसायिक रूपमा उपलब्ध क्याथोड सामग्री स्पिनल-संरचित लिथियम म्यांगनीज अक्साइड (LiMn₂O₄) क्याथोड सामग्री हो जुन थाकरे एट अल द्वारा प्रस्तावित छ। 1983 मा। स्पिनल-संरचित लिथियम म्यांगनीज अक्साइड क्यूबिक क्रिस्टल प्रणालीसँग सम्बन्धित छ। यसको विशिष्ट रासायनिक संरचना LiMn₂O₄ हो। LiMn₂O₄ क्रिस्टल संरचनामा, अक्सिजन अनुहारमा-केन्द्रित घन क्लोज-प्याक गरिएको संरचनामा हुन्छ, जबकि म्याङ्गनीज र अक्सिजनले अष्टहेड्रल संरचना बनाउँछ, जस्तै तलको चित्रमा देखाइएको छ।
म्यांगनीज प्रकृतिमा प्रचुर मात्रामा पाइन्छ, र स्पिनल-प्रकारको लिथियम म्यांगनीज अक्साइड (LiMn2O4) को तयारी प्रविधिले विभिन्न विशेषताहरू प्रदर्शन गर्दछ। सामग्रीको संश्लेषण मार्ग र प्रशोधन प्रविधिले अन्तिम उत्पादनको सूक्ष्म संरचना र अन्न विकासलाई प्रत्यक्ष असर गर्छ। तसर्थ, यी संश्लेषण प्रक्रियाहरूलाई अनुकूलन व्यावहारिक अनुप्रयोगहरूमा इलेक्ट्रोड सामग्रीहरूको इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन सुधार गर्न महत्त्वपूर्ण छ। हाल, उद्योग र शिक्षाविद्हरूले LiMn2O4 तयार गर्न दुई मुख्य प्रकारका विधिहरू व्यापक रूपमा प्रयोग गर्छन्: एउटा ठोस कच्चा पदार्थहरू बीचको अन्तरक्रियामा आधारित छ, जस्तै उच्च-तापमान ठोस-राज्य प्रतिक्रिया, माइक्रोवेभ{10}}सहायतायुक्त संश्लेषण, र पिघलाएको नुन मिडियामा गर्भाधान उपचार।
अर्को वर्गमा तरल वातावरणमा रासायनिक रूपान्तरण समावेश छ, जसमा सोल-जेल टेक्नोलोजी, हाइड्रोथर्मल संश्लेषण, र कोप्रेसिपिटेशन प्रविधिहरू समावेश छन्। LiMnzO4 ले यसको मूल्य लाभ, उत्कृष्ट थर्मल स्थिरता, बलियो ओभरचार्ज प्रतिरोध, र राम्रो वातावरणीय लाभहरूको कारण व्यापक ध्यान आकर्षित गरेको छ। यद्यपि, यस सामग्रीमा साइकल चलाउने र भण्डारण कार्यसम्पादनमा कमजोरीहरू छन्, विशेष गरी उच्च तापक्रममा, जहाँ यसको साइकल प्रदर्शन उल्लेखनीय रूपमा बिग्रन्छ, जसले अपरिवर्तनीय क्षमता हानि निम्त्याउँछ।
लिथियम-रिच म्यांगनीज-आधारित
लिथियम म्यांगनीज अक्साइड बाहेक, स्तरित लिथियम-रिच म्यांगनीज-मा आधारित सामग्रीले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको लागि उभरिरहेको क्याथोड सामग्रीको रूपमा व्यापक ध्यान आकर्षित गरेको छ।
लिथियम-रिच म्यांगनीज-आधारित क्याथोड सामग्रीहरूको लागि तयारी विधिहरूमा ठोस-राज्य विधिहरू, सोल-जेल विधिहरू, र सह-वर्षा विधिहरू समावेश छन्। ठोस-स्टेट विधिले मेटल अक्साइड र मेटल कार्बोनेट वा मेटल हाइड्रोक्साइडलाई निश्चित अनुपातमा प्रत्यक्ष रूपमा मिसाउने समावेश गर्दछ, त्यसपछि उच्च-तापमान ठोस-स्तरित लिथियम-रिच सामग्रीहरू प्राप्त गर्न राज्य प्रतिक्रिया हुन्छ। ठोस-स्टेट विधिका फाइदाहरू ठूलो मात्रामा स्तरित लिथियम-समृद्ध सामग्रीको संश्लेषण गर्ने क्षमता, यसको अपेक्षाकृत सरल तयारी विधि, र यसको कम लागत हो। बेफाइदाहरू ठोस-स्टेट सिंटरिङको समयमा ठोसको खराब प्रसार गुणांक हुन्, र ठोस{15}}राज्य प्रतिक्रियामा विभिन्न ट्रान्जिसन धातुहरूको भिन्न प्रसार दरहरू हुन्छन्, जसले कणहरूलाई पर्याप्त रूपमा फैलाउन गाह्रो बनाउँछ। त्यसकारण, संश्लेषित सामग्रीको एकरूपता खराब छ, जसले क्याथोड सामग्रीको प्रदर्शनलाई असर गर्छ। सोल-जेल विधिमा सोल बनाउनको लागि एक इन्टिग्रेटरमा ट्रान्जिसन मेटल नुन घोल हाल्ने, त्यसपछि यसलाई जेल बनाउनको लागि पानीलाई वाष्पीकरण गर्ने, र अन्तमा स्तरित लिथियम-रिच सामग्रीहरू प्राप्त गर्न यसलाई सुकाउने र क्याल्साइन गर्ने समावेश छ। यो विधिले समान वितरण र उच्च शुद्धताका साथ सामग्रीहरू उत्पादन गर्दछ, र उत्पादित इलेक्ट्रोडहरूले राम्रो इलेक्ट्रोकेमिकल प्रदर्शन प्रदर्शन गर्दछ। यद्यपि, यसका कमजोरीहरूमा लामो निर्माण चक्र, धेरै इन्टिग्रेटरहरू (जैविक एसिड वा इथिलीन ग्लाइकोल) को आवश्यकता, उच्च लागतहरू समावेश छन्। यसबाहेक, उत्पादित स्तरित लिथियम-रिच सामग्रीहरू प्रायः कम वास्तविक घनत्व भएका नानो/माइक्रोन कणहरू हुन्। तसर्थ, यो विधि हाल प्रयोगशाला सेटिङहरूमा लेयर्ड लिथियम-रिच सामग्रीहरू बनाउनको लागि प्रयोग गरिन्छ र व्यापारीकरण गर्न गाह्रो छ।
उच्च-निकेल क्याथोड सामग्री
अनुसन्धानकर्ताहरूले लामो समयदेखि क्याथोड विकास गर्दा प्राथमिक लक्ष्यहरूको रूपमा उच्च-तापमान स्थिरता र उत्कृष्ट दर प्रदर्शन खोजेका छन्।
लिथियम- आयन ब्याट्रीहरूको लागि सामग्री। तीन प्रमुख सामग्रीहरू मध्ये - LiCoO₂, LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM), र LiFePO₄ - NCM यसको अपेक्षाकृत उच्च विशिष्ट क्षमता, तुलनात्मक रूपमा कम कच्चा पदार्थ र राम्रो मित्र वातावरण, LiCoO₂ तुलनात्मक रूपमा कम सुरक्षा र मित्रवत वातावरणको कारणले सबैभन्दा आशाजनक क्याथोड सामग्रीहरू मध्ये एक मानिन्छ। परम्परागत सामग्री भन्दा लागत लाभ।
यस प्रकारको सामग्रीको समान -NaFeO₂-प्रकारको स्तरित क्रिस्टल संरचना छ र यो R-3m अन्तरिक्ष समूहसँग सम्बन्धित छ। यो अवधारणा पहिलो पटक लिउ एट अल द्वारा प्रस्ताव गरिएको थियो। 1999 मा। यसले चलाखीपूर्वक तीन क्याथोड सामग्री - लिथियम कोबाल्ट अक्साइड (LiCoO₂), लिथियम निकल अक्साइड (LiNiO₂), र लिथियम म्यांगनीज अक्साइड (LiMnO₂) को फाइदाहरू संयोजन गर्दछ - र प्रभावकारी रूपमा प्रत्येक F6 मा देखाइएको सामग्रीको लागि कम्तिमा प्रस्तुत गर्दछ। ट्रान्जिसन धातु तत्वहरूको अनुपात समायोजन गरेर, विशिष्ट क्षमता, चक्र प्रदर्शन, सुरक्षा, र लागत बीचको इष्टतम सन्तुलन थप हासिल गर्न सकिन्छ।
लिथियम निकल कोबाल्ट म्यांगनीज अक्साइड (NCM) टर्नरी क्याथोड सामग्रीको क्रिस्टल संरचना मूलतया LiCoO2 को जस्तै हो, दुबै हेक्सागोनल तहको संरचनासँग सम्बन्धित छ।
