Welche Anodenmaterialien werden für Lithium-Ionen-Batterien verwendet?

Die Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien sind sehr unterschiedlich, da sie weiterhin ein aktives Entwicklungs- und Forschungsgebiet sind. Anodenmaterialien tragen zur Sicherheit, Kapazität, Zyklenstabilität und allgemeinen Leistung von Lithium-Ionen-Batterien bei. Zu den für Lithium-Ionen-Batterien verwendeten Anodenmaterialien gehören:

1.Graphit

Graphit ist das am häufigsten verwendete Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien für den kommerziellen Einsatz. Die darin enthaltene Schichtstruktur bietet Raum für die Einlagerung von Lithiumionen während der Lade- und Entladezyklen. Die Graphitkapazität ist im Vergleich zu anderen Materialien moderat, bietet jedoch Sicherheit und Zyklenstabilität.

2. Metalloxide

Zu den untersuchten Anodenmaterialien gehören verschiedene Metalloxidmaterialien, darunter Eisenoxid (Fe3O4), Zinnoxid (SnO2) und Titandioxid (TiO2). Diese Metallmaterialien können unter Zyklenstabilität und Leitfähigkeitsproblemen leiden, bieten aber im Vergleich zu Graphit eine höhere Kapazität.

3.Siliziumbasierte Materialien

Silizium hat eine höhere Energiedichte, da es viele Lithiumionen aufnehmen kann. Das theoretische Konzept der hohen Kapazität von Siliziumanoden hat große Aufmerksamkeit erregt. Aufgrund der Volumenkontraktion und -ausdehnung während des Zyklus ist eine Verschlechterung der Elektrode sehr wahrscheinlich. Andere Materialien werden zusammen verwendet, um die mit Siliziumanoden verbundenen Herausforderungen zu mildern.

4.Lithiummetall

Lithiummetallanoden besitzen theoretisch die höchste Kapazität, auch wenn sie aus Sicherheitsgründen nicht häufig verwendet werden. Zu den Herausforderungen im Zusammenhang mit Lithiummetallen gehören die Bildung und Instabilität von Dendriten; Andererseits können sie eine sehr hohe Energiedichte bieten.

5.Legierungsanoden

Legierungsmaterialien werden verwendet, um das Problem der Volumenausdehnung im Zusammenhang mit Anoden aus reinem Silizium zu lösen. Dazu gehören Legierungen auf Siliziumbasis (wie Si-Ge) und Legierungen auf Zinnbasis (wie Sn-C, Sn-Co). Die Legierungen können einen Kompromiss zwischen Zyklenstabilität und Kapazität darstellen.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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6. Materialien auf Schwefelbasis

In Lithium-Schwefel-Batterien wird Schwefel als Anodenmaterial verwendet. Schwefel hat theoretisch eine recht hohe Kapazität, die mit diesem System verbundenen Herausforderungen sind jedoch die Elektrodeninstabilität und die Auflösung von Polysulfiden.

7. Materialien auf Phosphorbasis

Anoden auf Phosphorbasis verfügen ebenso wie Silizium über eine hohe theoretische Kapazität. Die Probleme mit der Zyklenstabilität und Volumenänderungen müssen im weiteren Verlauf der Forschung noch angegangen werden.

8.Organische Materialien

Es gibt einige organische Verbindungen, die bereits als Anodenmaterialien untersucht werden, darunter Moleküle auf Kohlenstoffbasis. Während die Herausforderungen hinsichtlich Stabilität und Kapazität angegangen werden müssen, bieten diese Materialien einstellbare Eigenschaften.

9.Lithiumtitanat (Li4Ti5O12)

Lithiumtitanat verfügt über eine hervorragende Sicherheit und Zyklenstabilität, obwohl es kein Kohlenstoffmaterial ist. Im Vergleich zu den anderen Materialien ist seine Kapazität geringer, aber in Fällen, in denen diese Eigenschaften für die jeweiligen Anwendungen von entscheidender Bedeutung sind, wird Lithiumtitanat verwendet.

LiCoO2-Anodenmaterial.

Aufgrund der Stabilität und der elektrochemischen Bedenken ist lithiumkobaltoxid kein übliches Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien, sondern wird stattdessen als primäres Kathodenmaterial verwendet. Lithiumionen bewegen sich während der Lade- und Entladezyklen zwischen der Anode und der Kathode durch den Elektrolyten hin und her. Zu den Gründen, warum es nicht als Anodenmaterial verwendet wird, gehören:

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Kompatibilität des Anodenmaterials: Die Kristallstruktur nimmt Lithiumionen während der Entladung auf und ist für den Einsatz als Kathodenmaterial optimiert. Bei Verwendung als Anodenmaterial kann die Struktur die Extraktion und Einfügung von Lithiumionen nicht effizient bewältigen, was zu einer Kapazitätserhaltung und einer schlechten Zyklenstabilität führt.

Stabilitäts- und Sicherheitsbedenken: LiCoO2 neigt zu exothermen Reaktionen und thermischem Durchgehen, was zur Gasbildung und Überhitzung führt.

Leistung und Lebensdauer: Um die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Batterie zu gewährleisten, sollten Anoden eine lange Lebensdauer und eine gute elektrochemische Stabilität aufweisen, die LiCoO2 nicht besitzt.

Alternatives Anodenmaterial:

Es wurden alternative Anodenmaterialien mit besseren Sicherheitsprofilen und besserer Leistung entwickelt. Graphit ist aufgrund der guten Ioneninterkalation und Stabilität das am häufigsten verwendete Anodenmaterial.

LiNiO2 als Anodenmaterial

Lithium-Nickel-Oxid eignet sich aus bestimmten Gründen nicht hauptsächlich als Anodenmaterial;

Grenzflächenreaktionen: Bei der Verwendung von LiNiO2 als Anodenmaterial kommt es während des Zyklenvorgangs zu erheblichen Grenzflächenreaktionen. Die Reaktionen führen zur Bildung einer instabilen Festelektrolyt-Grenzfläche, was zu einer verkürzten Zykluslebensdauer, Kapazitätsverlusten und Sicherheitsbedenken führt.

Kapazität und Spannungsbereich: LiNiO2 speichert und gibt Lithiumionen effizient während Lade- und Entladezyklen ab, wenn es als Kathodenmaterial verwendet wird. Bei Verwendung als Anodenmaterial können die Kapazitäts- und Spannungseigenschaften zu einer schlechten elektrochemischen Leistung führen.

Zyklische Stabilität: LiNiO2 verfügt nicht über die erforderliche Stabilität, wenn es als Anode verwendet wird, was eine Aufrechterhaltung der Stabilität und Kapazitätserhaltung bei zahlreichen Lade- und Entladezyklen erfordert. Die Verwendung davon führt zu einer verkürzten Lebensdauer und einem schnellen Abbau.

Sicherheitsbedenken: Sicherheit bleibt ein entscheidender Faktor beim Batteriedesign. Genau wie LiCoO2 bergen LiNiO2-basierte Anoden Risiken wie thermisches Durchgehen.

LiMnO-Anodenmaterial

lithiummanganoxid wird typischerweise in Lithium-Ionen-Batterien als Kathode verwendet. Die Einschränkungen und elektrochemischen Eigenschaften von LiMnO machen es für die Verwendung als Anodenmaterial ungeeignet.

Kinetik der Lithium-Interkalation/Deinterkalation:?LiMnO ist nicht für die Rolle einer Anode optimiert, die die Bewegung von Lithiumionen während des Lade- und Entladevorgangs aufnehmen soll.

Kapazitäts- und Spannungsbereich: Im Vergleich zu anderen Anodenmaterialien wie Silizium und Graphit weist LiMnO eine geringe Lithiumspeicherkapazität auf. Die begrenzte Kapazität führt zu einer verringerten Batterieleistung und einer geringeren Energiedichte.

Stabilität und Zyklenlebensdauer: Anoden sollten zahlreichen Lade- und Entladezyklen standhalten und gleichzeitig die Kapazitätserhaltung und Stabilität gewährleisten. LiMnO fehlt die nötige Stabilität, um als Anode verwendet zu werden.

Sicherheitsbedenken: Wenn LiMnO als Anode verwendet wird, bestehen unter anderem Sicherheitsbedenken aufgrund der Gasentwicklung und möglicher Reaktionen.

Abschluss

Die spezifischen Anforderungen einer Anwendung, darunter Kosten, Sicherheit, Zyklenstabilität und Energiedichte, bestimmen die Wahl des Anodenmaterials. Die Forschung und Entwicklung in diesem Bereich wird fortgesetzt und konzentriert sich auf die Beseitigung der Einschränkungen. Hochentwickelte Anodenmaterialien stehen kurz vor der Entwicklung, um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu steigern und zu verbessern.

LiCoO2 ist aus Stabilitäts-, Kompatibilitäts- und Sicherheitsgründen als Anodenmaterial ungeeignet, aber aufgrund der Kristallstruktur eignet es sich als Kathodenmaterial. LiNiO2 ist aufgrund seiner Stabilität, Sicherheit, Kapazitätseigenschaften und Grenzflächenreaktionen als Anodenmaterial in Lithium-Ionen-Batterien ungeeignet. Alternative Anodenmaterialien wurden erforscht und Graphit hat sich zum am weitesten verbreiteten Material entwickelt. Aufgrund ihrer Struktur und Eigenschaften werden hauptsächlich LiCoO2-, LiNiO2- und LiMnO-Materialien als Kathodenmaterialien verwendet.