◆Matëiæ à anòdi de tipo de converscion-
◆Matëiæ à anodo de metallo de litio
Into proçesso de carregamento debattëie à iòni de litio, o materiale de l’elettrodo negativo o zeuga un ròllo fondamentale into portâ di ioin e di elettroin de litio e o l’é essençiale pe l’immagazzinamento e o relascio d’energia. Da-o ponto de vista do costo, sti materiali son responsabili da-o 5% a-o 15% do costo totale de produçion de battëie e son tegnui pe uña de matëie primme ciave indispensabile pe-a produçion de battëie à iòni de litio. Comme o materiale de l’elettrodo poxitivo, o materiale de l’elettrodo negativo o zeuga un ròllo estremamente importante inta promoçion do progresso da tecnologia de battëie à iòni de litio. Inti urtimi anni, co-a domanda crescente de megio prestaçioin de battëie-into dettaggio, a reçerca de unna denscitæ d'energia ciù erta, denscitæ de potensa e unna megio stabilitæ e seguessa do çiclo-i reçercatoî an dæto unna gran attençion a-o materiale de l'elettrodo negativo, un di componenti prinçipæ do litio{{9}
battëie. Un materiale d’elettrodo negativo ideale o dovieiva avei e caratteristiche che vëgnan apreuvo:
(1) Leggio, ch’o l’accheugge o ciù tanto Li poscibile pe ottimizzâ unna capaçitæ speçifica.
(2) Basso potençiale redox pe-e reaçioin d’inserçion e d’estraçion de ioin de litio, ch’o l’aggiutta à razzonze unna tenscion de sciortia da batteria ciù erta.
(3) Boña conduttivitæ elettrònica e iònica.
(4) Insolubile inti solventi d’elettroliti e o no reagisce co-i sæ de litio. (5) Eccellente stabilitæ chimica dòppo a carrega e a descarrega, erta prestaçion de seguessa e duâ do çiclo, e basso tasso de auto-descarrega.
(6) Resòrse econòmiche, abbondante e respettose de l’ambiente.
I materiali d’anòdi peuan vegnî scompartii inte doe categorie prinçipæ in sciâ base da seu compoxiçion chimica: i materiali à base de carbònio e quelli no à base de carbònio. I materiali à base de carbònio peuan vegnî scompartii ancon de ciù inte di materiali de carbònio grafico e di materiali de carbònio amorfi. I materiali no à base de carbònio comprendan à base de siliçio, à base de titanio e diversci òscidi de metallo. A-o momento i materiali d’anòdi deuviæ pe coscì in sciô mercou comprendan pe-o ciù træ qualitæ: i materiali à base de carbònio, o titanato de litio (LiTisOi2) e i materiali compòxiti de carbònio che comprendan do siliçio. I materiali à base de carbònio peuan vegnî scompartii ancon inte grafite (grafite naturale e artifiçiâ), carbònio mollo e carbònio duo. Tra ste categorie, a grafite artifiçiâ a detëgne a ciù grande quota de mercou.
Matëiæ d'anòdi intercalæ
materiali de carbònio
Into sviluppo de battëie à iòni de litio, l’innovaçion de l’utilizzaçion de materiali à base de carbònio pe sostituî o litio metallico comme anòdo a marca unna gran progresciva inte sta tecnologia. Fin à ancheu, nisciun atro tipo de materiale d’anòdo o peu corresponde a-o seu costo-efficaçitæ e prestaçioin; donca, se prevedde che i materiali à base de carbònio-arrestan a çernia primmäia pe de applicaçioin commerciale in sce larga scâ-pe un periodo consciderevole. In sciâ base do graddo de grafitizzaçion, i materiali à base de carbònio deuviæ comme anodi peuan vegnî clascificæ inte træ categorie: grafite, carbònio mollo e carbònio duo. I materiali de carbònio no de grafite mostran tutti unna tendensa à trasformâse inte de grafite durante a lavoraçion à erta temperatua; à tutti i mòddi, çerte sostanse en ciù propense à sta trasformaçion e en definie comme carbònio mollo; tanto che quelli che son diffiçili da completâ o proçesso en ciammæ carbònio duo. Pe-o sòlito o carbònio mollo o se peu ottegnî da de matëie primme comme o catran do carbon ò o petròlio; a-o conträio, o carbònio duo o ven scintetizzou pe-o ciù da di componenti comme a rexiña fenòlica ò o saccaròsio. A-o momento un di argomenti ciù studiæ into campo do carbònio mollo o l’é e microsfere de carbònio in mesofase. Tanto i materiali à carbònio grafitichi comme quelli no grafitichi an i seu avvantaggi e i seu desvantaggi quande vëgnan deuviæ comme elettrodi negativi inte battëie à iòni de litio. In sciâ base de questo, i reçercatoî de spesso deuvian diversci sottosegmenti pe modificâ e alterâ a superfiçie de sti materiali de carbònio pe megioâne a prestaçion.
A grafite, comme materiale à seu (figua 5{3}}8), a l’à unna struttua interna ch’a consciste inte unna struttua esagonale d’atomi dispòsti inte un stato ibrido sp2, ch’o s’estende inte doe dimenscioin. Drento de tutti i seu, i atomi de carbònio forman unna robusta struttua à grixella esagonale con unna distansa atomo de carbònio-carbònio de 0.142 nm e unn’energia de ligamme de 345 kJ/mol, ch’a mostra unna stabilitæ estremamente fòrte. Pe contra, i atomi de carbònio tra diversci seu en ligæ da de fòrse de van der Waals ciù debole, con unn’energia d’interaçion de 16,7 kJ/mol solo, ch’a corresponde à unna distansa interplanare mesuâ de 0,3354 nm. I ioin de litio peuan subî unn’inserçion e unn’estraçion reverscibile tra i sëi seu de carbònio da grafite, formando di compòsti LiC6 pe immagazzinâ o litio. Durante sto proçesso, a distansa tra i seu a cangia de forma scignificativa; pe LiC6, sto valô o vëgne 0.37 nm, e donca o razzonze unna capaçitæ speçifica mascima teòrica de 372 mA·h/g. Pe de ciù, l’eccellente conduttivitæ da grafite a façilita a migraçion spedia di elettroin drento do materiale. À tutti i mòddi, quand’a ven deuviâ comme materiale d’elettrodo negativo, a grafite a presenta ascì di desvantaggi: o seu plateau de tenscion d’inserçion/estraçion de litio relativamente basso o peu portâ a-a crescita de dendriti de litio durante a carrega ò a descarrega. Dòppo che sti dendriti penetran into separatô de batterie, peuan provocâ di corti circuiti interni, che in potensa peuan portâ à di feughi ò fiña à de esploxoin, menassando a seguessa da batteria.
Figua 5-8 Diagramma schematico da struttua à seu de grafite
A grafite a se scompartisce pe-o ciù inte doe categorie: a grafite naturale e a grafite artifiçiâ. A grafite naturale, abbreviâ comme NG (grafite naturale), a fa referensa à un materiale à erto -carbònio estræto da-a natua e ottegnuo pe mezo de unna sencia lavoraçion. O l’à doe morfologie despæge de struttua de cristallo à seu: esagonale e ròmbica. Sto mateiâ o no l'é sôo che abbondante inte reserve, ma o l'é ascì basso à costo e respettoso de l'ambiente. À tutti i mòddi, inte applicaçioin de battëie à iòni de litio, apreuvo a-a distribuçion despægia de l’attivitæ de superfiçie e a-e gren dimenscioin do gran de partiçelle de pövie de grafite naturale, a seu struttua de cristallo de superfiçie a ven dannezzâ de lengê durante i çicli de carrega e de descharge, ch’a pòrta à unna covertua despægia de pellicole SEI e influensâ a coffiçensa de pellicola SEI e ch’a l’influisce in sciâ cobertua de pellicola SEI. Pe scompassâ ste desfie, i reçercatoî an sviluppou diverse tecniche pe megioâ e propietæ da grafite naturale, comme a sferoidizzaçion, o trattamento de superfiçie con oscidaçion, a fluoraçion e o revestimento de carbònio de superfiçie, co-o propòxito d’ottimizzâ e seu caratteristiche de superfiçie e a seu microstruttua.
A grafite artifiçiâ a peu vegnî produta da-a grafitizzaçion à erta temperatua de materiali de carbònio grafitizzæ de lengê. Sto tipo de materiale o l’é deuviou pe coscì comme materiale d’anòdo inte battëie à iòni de litio. In confronto a-a grafite naturale, a grafite artifiçiâ a mostra di avvantaggi scignificativi in termini de longa duâ de çiclo, capaçitæ de conservaçion à erta temperatua e prestaçioin à erta velocitæ, cösa ch’a ô rende un di materiali anodichi preferii pe-e battëie à iòni de litio deuviæ inti neuvi veicoli à energia da Ciña. Apreuvo a-a seu grande capaçitæ speçifica e a-o seu costo relativamente basso, a grafite artifiçiâ a l’é deuviâ pe coscì ascì inte battëie de potensa e inti produti d’elettrònica de consummo de livello medio à erto. E statistiche mostran che do 2021 a grafite artifiçiâ a l’é stæta pe l’84% de tutte e spediçioin de materiale d’anòdi.
I materiali de carbònio no grafite en scompartii pe-o ciù inte doe categorie: carbònio duo e carbònio mollo. O carbònio duo o fa referensa à unna qualitæ de materiale de carbònio ch’o l’é diffiçile da trasformâ inte unna struttua de grafite anche à de temperatue estremamente erte (ciù erte che 2800 graddi). Pe-o sòlito sti materiali s’ottëgnan co-a pirolixi de çerti polimeri. Ciù into dettaggio, e vivagne frequente de carbònio duo comprendan diversci carbòni de rexiña (comme e rexiñe fenòliche, a rexiña d’alcòl polifurfurilo PFA{5}}C e e rexiñe eposcidiche), o carbònio formou da-a pirolixi de polimeri speçifichi (comme l’alcòl de polivinile (PVA), o produto de polivinilideno e o fluoruro de polifurfurilo (PVNPADF). nero d'açetileno). Durante o proçesso de preparaçion, se forma unna gran quantitæ de difetti de ræ drento do carbònio duo, cösa ch’a permette a-i ioin de litio no solo d’intercalâse tra i seu de carbònio, ma ascì d’imî ste regioin de difetti, con dâ coscì a-i anodi fæti da sto materiale unn’erta capaçitæ speçifica (tra 350 e 500 mA·b/g ch’a megioa ben ben a capaçitæ de battëie à iòni de litio-. À tutti i mòddi, i difetti de ræ stæti mensunæ chì de d’ato pòrtan ascì à unna bassa reisa coulombica a-o comenso e à unna scarsa stabilitæ do çiclo quande o carbònio duo o ven deuviou comme materiale d’anòdo. Fin à ancheu, apreuvo à sti problemi, o carbònio duo o no l’é stæto deuviou pe coscì inte battëie à iòni de litio produte in commercio e gh’é ancon di ostacoli primma ch’o pòsse vegnî deuviou in sce larga scâ.
O carbònio mollo o fa referensa à di materiali de carbònio amorfi che se grafitizzan de lengê inte condiçioin d’erta temperatua (ciù erta de 2800 graddi). Sti materiali comprendan o pescio, o coke d’agoggia, o coke de petròlio e e fibre de carbònio. Apreuvo a-o basso livello de grafitizzaçion into carbònio mollo, a seu struttua a contëgne ben ben di difetti, cösa ch’a ghe permette d’accheugge de forma reverscibile ciù ioin de litio; a-o mæximo tempo, a distansa tra i seu ciù grande a promeuve a penetraçion di elettroliti. De conseguensa, in sciâ base de ste caratteristiche, i materiali de carbònio mollo mostran unn’erta capaçitæ durante a descharge iniçiâ. À tutti i mòddi, pròpio pe caxon da seu instabilitæ strutturale, a seu capaçitæ irreverscibile a l’é ascì relativamente erta. Pe de ciù, l’irregolaritæ da struttua interna do carbònio molle a pòrta à de distribuçioin variabile d’energia di sciti attivi de ioin de litio, co-o resultato de unna mancansa de un ciappo de tenscion definio durante a carrega e a descharge, cösa ch’a limita e seu applicaçioin prattiche.
Biòscido de titanio
O biòssido de titanio (TiO2) o mostra un gran potençiale comme materiale d’elettrodo negativo pe-e battëie à iòni de litio, no solo pe caxon da seu fattibilitæ pe unna produçion in sce larga scâ e un costo basso, ma ascì perché o mostra unn’eccellente seguessa e stabilitæ à unna tenscion de fonçionamento de 1.5V à Li/re (la). Pe de ciù, o TiO2 o l’à unna serie de propietæ notevole: erta attivitæ elettrochimica, fòrte potensa oscidante, boña stabilitæ chimica, abbondante resorse naturale e diverse struttue de cristallo.
Sti avvantaggi inte l’insemme fan de TiO2 uña de çernie ideale pe-i materiali d’elettrodi negativi pe-e battëie à iòni de litio (mascime into campo di veicoli elettrichi ibridi).
In teoria, ògni massa unitäia de TiO2 a peu immagazzinâ un ion de litio, ch’o corresponde à unna capaçitæ de 330 mA·h/g, ch’a l’é squæxi o doggio da capaçitæ teòrica de LiTiO2. À tutti i mòddi, inta prattica s’é nottou che l’é assæ diffiçile razzonze sta capaçitæ teòrica mascima d’immagazzinamento de litio. Tanti fattoî influensan l’inserçion e l’effiçensa de l’estraçion di ioin de litio into biòscido de titanio, compreiso, ma no limitæ à, a cristallinitæ do materiale, a dimenscion de partiçelle, e caratteristiche strutturale interne e a superfiçie speçifica. Va dito che o TiO2 o l’existe inte diverse fase de cristallo, e ciù conosciue son i tipi de rutile e anataxi into scistema de cristallo tetragonale e o tipo de broochite into scistema de cristallo ortorombico.