የካቶድ ቁሳቁስ በ ሀ ውስጥ የሊቲየም ion ቀዳሚ ምንጭ ነው።ሊቲየም{0}}አዮን ባትሪ. በሚሞሉበት ጊዜ ሊቲየም አየኖች ከካቶድ ንጥረ ነገር ክሪስታል ጥልፍልፍ ይወጣሉ እና ወደ anode ቁስ ውስጥ ይገባሉ ። በተገላቢጦሽ የሚከሰተው በሚፈስበት ጊዜ ነው. የሚቀለበስ አቅም እና የቮልቴጅ መጠን የካቶድ ቁሳቁስ ኃይል በሚሞላበት እና በሚሞላበት ጊዜ በአብዛኛው የሊቲየም{2}አዮን ባትሪን የኢነርጂ መጠን ይወስናል። በተጨማሪም የካቶድ ቁሳቁስ እንደ ሊቲየም፣ ኮባልት እና ኒኬል ያሉ ብረቶች ስላሉት የሊቲየም አዮን ባትሪ ዋጋ በጣም አስፈላጊ አካል ነው።
የካቶድ ቁሳቁሶችን በከፍተኛ የኃይል ጥንካሬ, ከፍተኛ የውጤት ቮልቴጅ, ረጅም የአገልግሎት ዘመን እና የመፍጠር ቀላልነት ማዳበር ትልቅ ጠቀሜታ አለው. ተስማሚ የሆነ የካቶድ ቁሳቁስ የሚከተሉትን መሰረታዊ ሁኔታዎች ማሟላት አለበት.
(1) ለባትሪው ከፍተኛ የውጤት ቮልቴጅን በማረጋገጥ ከፍተኛ የመድገም አቅም አለው።
(2) ከፍተኛ የባትሪ አቅምን በማረጋገጥ በተቻለ መጠን ብዙ ሊቲየም ionዎችን ማስተናገድ ይችላል።
(3) የሊቲየም ionዎችን ወደ ውስጥ በማስገባት እና በማውጣት, የካቶድ ቁሳቁስ መዋቅራዊ መረጋጋትን ጠብቆ ማቆየት ይችላል, በዚህም ለኤሌክትሮል ረጅም ዑደት ህይወትን ያረጋግጣል.
(4) እጅግ በጣም ጥሩ የኤሌክትሮኒካዊ እና ion conductivity አለው፣ በፖላራይዜሽን ውጤቶች የሚፈጠረውን የኃይል ብክነት ውጤታማ በሆነ መንገድ በመቀነስ የባትሪውን ፈጣን የመሙላት እና የማስወጣት አቅምን ያረጋግጣል።
(5) የባትሪው ኦፕሬቲንግ የቮልቴጅ መጠን በኤሌክትሮላይት ኤሌክትሮኬሚካላዊ መረጋጋት ክልል ውስጥ መሆን አለበት, በዚህም በኤሌክትሮል ማቴሪያል እና በኤሌክትሮላይት መካከል ያለውን አላስፈላጊ ኬሚካላዊ ምላሾች ይቀንሳል.
(6) ዝቅተኛ ዋጋ እና ቀላል የማዋሃድ ሂደት ብቻ ሳይሆን ከፍተኛ የአካባቢ ወዳጃዊነትን ማሳየት አለበት.
በተጨማሪም የካቶድ ቁሳቁስ በጣም ጥሩ የኤሌክትሮኬሚካላዊ እና የሙቀት መረጋጋት ማሳየት አለበት.
ነባር የካቶድ ቁሳቁሶች በክሪስታል መዋቅር ልዩነቶቻቸው ላይ በዋነኛነት በሶስት ምድቦች ሊከፈሉ ይችላሉ፡- ① የተነባበረ መዋቅር፣ እንደ ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ (LiCoO2) እና ተርነሪ ቁሶች (LiNiCo, Mni-x-yO2); ② ኦሊቪን መዋቅር, እንደ ሊቲየም ብረት ፎስፌት (LiFePO4); እንደ ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (LiMn2O4) እና ሊቲየም ኒኬል ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (LiNi10.5Mn1.5O4) ያሉ የአከርካሪ አወቃቀር ኦክሳይድ። የተለያዩ የካቶድ ዓይነቶች የተለያዩ የኢነርጂ እፍጋቶች፣ ኤሌክትሮኬሚካላዊ ባህሪያት እና ወጪዎች አሏቸው፣ በመጨረሻም ለተለያዩ መስኮች እና የመተግበሪያ ሁኔታዎች ተስማሚ ያደርጋቸዋል። የተነባበረ መዋቅር ካቶድ ቁሶች በዋናነት ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ፣ ሊቲየም ኒኬል ኮባልት ማንጋኒዝ ኦክሳይድ እና ሊቲየም{12}የበለፀገ ማንጋኒዝ ኦክሳይድን ጨምሮ የካቶድ ቁሶችን ከተነባበረ የማይክሮ ክሪስታላይን መዋቅር ያመለክታሉ። ከነሱ መካከል ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ እና ሊቲየም ኒኬል ኮባልት ማንጋኒዝ ኦክሳይድ በአሁኑ ጊዜ ለሊቲየም{14}}አዮን ባትሪዎች በዲጂታል ኤሌክትሮኒክስ ምርቶች እና በሃይል ሊቲየም{15}አዮን ባትሪዎች በብዛት ጥቅም ላይ የዋሉ የካቶድ ቁሶች ናቸው። በከፍተኛ የኃይል ጥንካሬ, እጅግ በጣም ጥሩ የዑደት አፈፃፀም እና ጥሩ አጠቃላይ አፈፃፀም ተለይተው ይታወቃሉ, ነገር ግን እንደ ኒኬል, ኮባልት እና ማንጋኒዝ ያሉ ብረቶች ከፍተኛ መጠን ያለው ከፍተኛ ወጪን ያስከትላል.
ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ ካቶድ ቁሳቁስ
ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ (ሊኮኦ2) በአሜሪካ ሳይንቲስት እና በኬሚስትሪ የኖቤል ተሸላሚ የሆነው ጄቢ ጉድኖው የተገኘ እና ለመጀመሪያ ጊዜ በጃፓን ሶኒ ኮርፖሬሽን በ1990ዎቹ ለገበያ ቀርቧል። ዛሬም ቢሆን ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ ከፍተኛ መጠን ያለው የኢነርጂ እፍጋት ካላቸው የካቶድ ቁሶች አንዱ ነው። በዚህ ምክንያት እንደ ሞባይል ስልኮች፣ ስማርት ሰዓቶች እና የብሉቱዝ ጆሮ ማዳመጫዎች ባሉ ከፍተኛ መጠን ያለው የኃይል ጥግግት በሚጠይቁ የዲጂታል ቦርሳ ሴል ምርቶች ላይ በስፋት ጥቅም ላይ ይውላል።
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 (>4.45 ቪ) በተጨማሪም LiCoO2 በአንፃራዊነት የላቀ የኤሌክትሮኒክስ እና ionክ conductivity፣ የሃይል ቅልጥፍና እና ፈጣን{3}የኃይል መሙያ ባህሪያትን ያሳያል፣የአሁኑን የሸማች ኤሌክትሮኒክስ ባትሪዎች መስፈርቶች የሚያሟላ እና በዚህም ሰፊ አፕሊኬሽኖች አሉት። በእነዚህ ንብረቶች ላይ በመመስረት LiCoO2 እስከ ዛሬ ካሉት ምርጥ የካቶድ ቁሳቁሶች አንዱ ሆኖ ይቆያል።
የሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ ዋና የማዋሃድ ዘዴዎች ከፍተኛ{0}የሙቀት መጠን{1}የግዛት ውህድ፣ ሶል{2}ጄል ውህድ እና ዝቅተኛ{3}የሙቀት መጠን መጨመርን ያካትታሉ። ከፍተኛው{5}የሙቀት መጠን{6}የግዛት ውህደት የሊቲየም ጨዎችን እና ኮባልትን{7}የያዙ ኦክሳይዶችን ወይም ሃይድሮክሳይዶችን በአንድ የተወሰነ ስቶቺዮሜትሪክ ሬሾ ውስጥ መቀላቀል፣ ከዚያም ለተወሰነ ጊዜ ውህዱን በተገቢው የሙቀት መጠን ማስላት፣ በመቀጠልም ማቀዝቀዝ፣ መፍጨት እና ናሙናውን ለማግኘት ወንፊት ማድረግን ያካትታል። ምንም እንኳን ከፍተኛ{9}}የሙቀት መጠን{10}የግዛት ውህደት ዘዴ በኢንዱስትሪ ምርት ውስጥ በስፋት ጥቅም ላይ የሚውል ቢሆንም፣ ጊዜ የሚፈጅ፣ ከፍተኛ የሙቀት መጠንን ይፈልጋል፣ እና ትልቅ እና ተመሳሳይ ያልሆኑ ተመሳሳይ ዱቄቶችን ያመነጫል፣ ይህም ጉልህ የሆነ የስቶቺዮሜትሪክ ልዩነት ያለው ሲሆን ይህም ከፍተኛ ወጪን ያስከትላል።
ፎስፌት ካቶድ ቁሳቁሶች
በ 1997, Goodenough et al. ለመጀመሪያ ጊዜ የቀረበው ሊቲየም ብረት ፎስፌት (LiFePO4) እንደ ካቶድ ቁሳቁስ ለሊቲየም{3}}አዮን ባትሪዎች።
በዝቅተኛ ወጪው፣ በተረጋጋ መዋቅር እና ከፍተኛ ደህንነት ምክንያት ይህ ቁሳቁስ ቀስ በቀስ በኤሌክትሪክ አውቶቡሶች እና በሃይል ማከማቻ ስርዓቶች ውስጥ ለሊቲየም{0}አዮን ባትሪዎች ከሚመረጡት የካቶድ ቁሶች አንዱ ሆኗል።
ሊቲየም ብረት ፎስፌት (LiFePO4) ከብረት ፎስፌት (FePO4) ጋር ተመሳሳይ የክሪስታል መዋቅር እና የክሪስታል ሲስተም ይጋራል። ይህ ማለት በሊቲየም ጊዜ ቁሱ አነስተኛ የድምጽ ለውጥ ያጋጥመዋል{3} በተጨማሪም ይህ ባህሪ በእንፋሎት እና በተለዋዋጭ ተጨማሪዎች መካከል ጥሩ የኤሌክትሪክ ግንኙነትን ያረጋግጣል, ይህም እጅግ በጣም ጥሩ የዑደት መረጋጋት እና ረጅም የህይወት ዘመን ያስገኛል. በተጨማሪም፣ ሊቲየም ብረት ፎስፌት በአካባቢ ወዳጃዊነት፣ በዋጋ{6}ውጤታማነቱ፣ በምርጥ ደህንነት፣ ከፍተኛ ልዩ አቅም (በግምት 170 ሚአአ ሰ/ግ) እና በተረጋጋ የኃይል መሙያ/የፍሳሽ መድረክ ታዋቂ ነው። ከእነዚህ ጥቅሞች አንጻር፣ ሊቲየም ብረት ፎስፌት ለካቶድ ቁሶች በትልቅ{9}}የኃይል ማከማቻ አፕሊኬሽኖች ጥሩ ምርጫ ተደርጎ ይወሰዳል።
ዘዴዎቹ የሶል{0}ጄል ሂደቶችን፣ የዝናብ ቴክኒኮችን እና የሃይድሮተርማል ውህደትን ያካትታሉ። በተለይም የሃይድሮተርማል ውህድ የሙቀት መጠንን እና ግፊትን በመጨመር በቀላሉ የሚገኙትን ብረት፣ ሊቲየም እና ፎስፎረስ ውህዶችን እንደ ጥሬ እቃ በመጠቀም በአውቶክላቭ ውስጥ የታለመውን ምርት በቀጥታ ያመነጫል። ይህ ዘዴ በቀላል አሠራሩ፣ በጥቃቅን እና በወጥ ቅንጣት መጠን እና በዝቅተኛ የኃይል ፍጆታ ይታወቃል። ነገር ግን፣ ለኢንዱስትሪ ምርት ውሱንነቶች አሉት፣ በዋነኝነት በልዩ ሁኔታ የተነደፈ ግፊት{4}የሚቋቋም ኮንቴይነሮች አስፈላጊነት። በሌላ በኩል የዝናብ መጠን በመፍትሔ ስርዓት ውስጥ ይካሄዳል, የቅድሚያ ሞርፎሎጂ በተለያዩ ምክንያቶች እንደ ትኩረትን, የሙቀት መቆጣጠሪያ, የፒኤች ማስተካከያ እና የመቀስቀሻ መጠን. እነዚህ መመዘኛዎች የመጨረሻውን የ LiFePO ቁሳቁስ አፈጻጸም ላይ የሚጫወቱትን ወሳኝ ሚና ግምት ውስጥ በማስገባት የሙከራ ሁኔታዎችን በጥንቃቄ መምረጥ ወሳኝ ነው። በዚህ ዘዴ የተዘጋጁ ምርቶች እጅግ በጣም ጥሩ የሆኑ ጥቃቅን ባህሪያት (ማለትም ትንሽ እና ወጥ የሆነ ጥቃቅን መጠን) ብቻ ሳይሆን የላቀ ኤሌክትሮኬሚካላዊ ባህሪያትን ያሳያሉ. ይሁን እንጂ አጠቃላይ የአሰራር ሂደቱ በአንጻራዊነት የተወሳሰበ መሆኑን እና በማጣራት ሂደት ውስጥ የማጣሪያ ችግሮች እና የቆሻሻ አያያዝ ጉዳዮች ሊፈጠሩ እንደሚችሉ ልብ ሊባል ይገባል.
ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ እና ሊቲየም{0}የበለፀገ ማንጋኒዝ{1}የካቶድ ቁሶች
ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ
በሊቲየም{0}}አዮን ባትሪ ካቶድ ቁሶች ጥናት ውስጥ ሌላው ጠቃሚ እና ለንግድ የሚገኝ የካቶድ ቁሳቁስ በThackeray et al የቀረበው ስፒኒል{1}የተዋቀረ ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (LiMn₂O₄) ካቶድ ቁሳቁስ ነው። እ.ኤ.አ. በ1983። ስፒኔል{4}የተዋቀረ ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ የኩቢክ ክሪስታል ሲስተም ነው። የተለመደው ኬሚካላዊ ቅንጅቱ LiMn₂O₄ ነው። በLiMn₂O₄ ክሪስታል መዋቅር ውስጥ፣ ኦክሲጅን ፊት{7} መሃል ኪዩቢክ ቅርበት ያለው{8}የታሸገ መዋቅር ሲሆን ማንጋኒዝ እና ኦክሲጅን ከታች ባለው ስእል እንደሚታየው ኦክታቴድራል መዋቅር ይመሰርታሉ።
ማንጋኒዝ በተፈጥሮ ውስጥ የበዛ ነው፣ እና ለአከርካሪ አጥንት የመዘጋጀት ዘዴዎች{0}አይነት ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (LiMn2O4) የተለያዩ ባህሪያትን ያሳያሉ። የእቃው ውህደት መንገድ እና የማቀነባበሪያ ቴክኖሎጂ የመጨረሻውን ምርት ጥቃቅን መዋቅር እና የእህል እድገትን በቀጥታ ይነካል. ስለዚህ እነዚህን የማዋሃድ ሂደቶችን ማመቻቸት የኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈፃፀምን በተግባራዊ አተገባበር ለማሻሻል አስፈላጊ ነው. በአሁኑ ጊዜ ኢንዱስትሪ እና አካዳሚዎች LiMn2O4 ን ለማዘጋጀት ሁለት ዋና ዋና ዘዴዎችን በስፋት ይጠቀማሉ፡ አንደኛው በጠንካራ ጥሬ ዕቃዎች መካከል ባለው መስተጋብር ላይ የተመሰረተ ነው፣ ለምሳሌ ከፍተኛ{8}}የሙቀት ጠጣር{9}ሁኔታ ምላሽ፣ ማይክሮዌቭ{10}የታገዘ ውህደት እና ቀልጦ በሚሰራ የጨው ሚዲያ ላይ የሚደረግ ሕክምና።
ሌላው ምድብ በፈሳሽ አካባቢ ውስጥ ኬሚካላዊ ለውጥን ያካትታል፣ ከተለመዱ ምሳሌዎች ጋር የሶል{0}ጄል ቴክኖሎጂ፣ የሃይድሮተርማል ውህድ እና የዝናብ ቴክኒኮች። LiMnzO4 በዋጋ ጥቅሙ፣ በሙቀት መረጋጋት፣ በጠንካራ ከመጠን በላይ መሙላት እና ጥሩ የአካባቢ ጥቅሞች ምክንያት ሰፊ ትኩረትን ስቧል። ነገር ግን ይህ ቁሳቁስ በብስክሌት እና በማከማቻ አፈፃፀም ላይ ጉድለቶች አሉት ፣ በተለይም በከፍተኛ ሙቀት ፣ የብስክሌት አፈፃፀም በከፍተኛ ሁኔታ እያሽቆለቆለ በመምጣቱ የማይቀለበስ የአቅም ማጣት ያስከትላል።
ሊቲየም{0}የበለፀገ ማንጋኒዝ{1}የተመሰረተ
ከሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ በተጨማሪ ሊቲየም{0}የበለፀገ ማንጋኒዝ{1}የተመሰረቱ ቁሶች ለሊቲየም አዮን ባትሪዎች እንደ ብቅ ካቶድ ቁሳቁስ ሰፊ ትኩረትን ስቧል።
ለሊቲየም{0}የበለፀገ ማንጋኒዝ{1}የተመሰረቱ የካቶድ ቁሶች የማዘጋጀት ዘዴዎች ጠንካራ{2}የግዛት ዘዴዎች፣ ሶል{3}የጄል ዘዴዎች እና የጋራ{4}የዝናብ ዘዴዎችን ያካትታሉ። ጠንካራው{6}የግዛት ዘዴ የብረት ኦክሳይድን እና የብረት ካርቦኔትን ወይም የብረት ሃይድሮክሳይድን በተወሰነ መጠን መቀላቀልን ያካትታል፣ ከዚያም ከፍተኛ{7}}የሙቀት መጠን{8}ተደራቢ ሊቲየም የበለጸጉ ቁሳቁሶችን ለማግኘት ይከተላል። የጠንካራው{11}ስቴት ዘዴ ጥቅሞቹ ከፍተኛ መጠን ያላቸውን የተደራረቡ ሊቲየም{12}የበለጸጉ ቁሳቁሶችን የማዋሃድ ችሎታ፣ በአንጻራዊነት ቀላል የማዘጋጀት ዘዴው እና ዋጋው ዝቅተኛ ነው። ጉዳቶቹ በጠንካራ ሁኔታ{14}የግዛት ውህድ ወቅት ያለው የጠንካራው ደካማ ስርጭት ቅንጅት እና የተለያዩ የሽግግር ብረቶች በጠንካራ ሁኔታ{15}አስተያየት ውስጥ የተለያየ ስርጭት መጠን ስላላቸው ቅንጣቶች በበቂ ሁኔታ ለመበተን አስቸጋሪ ያደርገዋል። ስለዚህ, የተዋሃዱ ንጥረ ነገሮች ተመሳሳይነት ደካማ ነው, ይህም የካቶድ ቁሳቁስ አፈፃፀም ላይ ተጽዕኖ ያሳድራል. የሶል{18}ጄል ዘዴ በመጀመሪያ የሽግግር ብረት ጨው መፍትሄን ወደ ኢንተክተተሩ በመጨመር ሶል እንዲፈጥር ከዚያም ውሃውን በትነት ወደ ጄል ማድረግ እና በመጨረሻም ማድረቅ እና ካልሲየም ከተነባበሩ ሊቲየም የበለጸጉ ቁሳቁሶችን ማግኘትን ያካትታል። ይህ ዘዴ ተመሳሳይ ስርጭት እና ከፍተኛ ንፅህና ያላቸው ቁሳቁሶችን ያመጣል, እና ኤሌክትሮዶች ጥሩ የኤሌክትሮኬሚካላዊ አፈፃፀም ያሳያሉ. ሆኖም ፣ ጉዳቶቹ ረጅም የፋብሪካ ዑደት ፣ በርካታ ውህዶች (ኦርጋኒክ አሲዶች ወይም ኤቲሊን ግላይኮል) አስፈላጊነትን ያጠቃልላል ፣ ይህም ከፍተኛ ወጪን ያስከትላል። በተጨማሪም፣ የሚመረተው የተነባበረ ሊቲየም{23}የበለጸጉ ቁሶች በአብዛኛው አነስተኛ መጠጋጋት ያላቸው ጥሩ ናኖ/ማይክሮን ቅንጣቶች ናቸው። ስለዚህ፣ ይህ ዘዴ በአሁኑ ጊዜ በዋነኝነት ላብራቶሪ ቅንብሮች በተነባበሩ ሊቲየም{25}የበለጸጉ ቁሶችን ለማምረት ያገለግላል እና ለገበያ ለማቅረብ አስቸጋሪ ነው።
ከፍተኛ{0}}ኒኬል ካቶድ ቁሶች
ተመራማሪዎች ካቶድ በሚገነቡበት ጊዜ እንደ ዋና ግቦች ከፍተኛ{0}የሙቀት መረጋጋትን እና ጥሩ አፈጻጸምን ለረጅም ጊዜ ሲፈልጉ ቆይተዋል።
ቁሳቁሶች ለሊቲየም{0}አዮን ባትሪዎች። ከሦስቱ ዋና ዋና ቁሳቁሶች መካከል - LiCoO₂፣ LiNi₁ₓ₋ᵧCoₓMnᵧO₂ (NCM) እና LiFePO₄ - NCM በአንፃራዊነት ከፍተኛ ልዩ አቅም ያለው፣ በአንፃራዊነት ዝቅተኛ የጥሬ ዕቃ ዋጋ፣ ከአካባቢ ጥበቃ የላቀ ጠቀሜታ እና ከሊኮኦ ጥሩ ጠቀሜታ ጋር ሲነፃፀር እጅግ በጣም ተስፋ ሰጪ ካቶድ ቁሶች አንዱ ነው።
የዚህ አይነት ቁሳቁስ ተመሳሳይ {{0}NaFeO₂-አይነት የተነባበረ ክሪስታል መዋቅር ያለው እና የ R{6}}3ሜትር የጠፈር ቡድን ነው። ይህ ጽንሰ-ሐሳብ በመጀመሪያ የቀረበው በ Liu et al. እ.ኤ.አ. በ 1999. የሶስት ካቶድ ቁሶችን በጥበብ ያጣምራል - ሊቲየም ኮባልት ኦክሳይድ (LiCoO₂)፣ ሊቲየም ኒኬል ኦክሳይድ (LiNiO₂) እና ሊቲየም ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (LiMnO₂) - እና በእያንዳንዱ ግለሰብ ላይ የሚታዩትን ጉድለቶች በተሳካ ሁኔታ ያካክላል (ስእል 5)። የሽግግር የብረት ንጥረ ነገሮችን ጥምርታ በማስተካከል በተወሰኑ አቅም, የዑደት አፈፃፀም, ደህንነት እና ወጪ መካከል ያለው ጥሩ ሚዛን የበለጠ ሊሳካ ይችላል.
የሊቲየም ኒኬል ኮባልት ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (ኤንሲኤም) ተርንሪ ካቶድ ቁስ የሊቲየም ኒኬል ኮባልት ማንጋኒዝ ኦክሳይድ (ኤንሲኤም) ክሪስታል መዋቅር በመሠረቱ ከ LiCoO2 ጋር ተመሳሳይ ነው፣ ሁለቱም ባለ ስድስት ጎን በተነባበረ መዋቅር።
