O materiale do catòdo o l’é a vivagna primmäia de ioin de litio inte unbatteria à iòni de litio. Durante a carrega, i ioin de litio vëgnan estræti da-a ræ de cristallo do materiale catòdo e intran into materiale de l’anòdo; o conträio o se verifica durante a descharge. A capaçitæ reverscibile e o plateau de tenscion do materiale catòdico durante a carrega e a descarrega determinan pe-a ciù parte a denscitæ d’energia da batteria à iòni de litio. Pe de ciù, dæto che o materiale catòdico o contëgne di metalli comme o litio, o cobalto e o nichel, o representa a componente ciù scignificativa do costo de unna batteria à iòni de litio.
O sviluppo de materiali catòdichi con unn’erta denscitæ d’energia, unn’erta tenscion de sciortia, unna longa duâ de serviçio e unna façilitæ de fabricaçion o l’é de gran scignificato. Un materiale de catòdo ideale o dovieiva soddisfâ e condiçioin de base che vëgnan apreuvo.
(1) O l’à un erto potençiale redox, ch’o l’assegua unn’erta tenscion de sciortia pe-a batteria.
(2) Peu accheugge o ciù tanti ioin de litio poscibile, assicurando unn’erta capaçitæ da batteria.
(3) Durante l’inserimento e l’estraçion di ioin de litio, o materiale do catòdo o peu mantegnî a seu stabilitæ strutturale, assicurando coscì unna longa vitta de çiclo pe l’elettrodo.
(4) O l’à unn’eccellente conduttivitæ elettrònica e iònica, ch’a reduxe effettivamente a perdia d’energia provocâ da-i effetti de polarizzaçion, assicurando coscì e capaçitæ de carrega e descarica spedia da batteria.
(5) L’intervallo de tenscion de fonçionamento da batteria o dovieiva ëse drento de l’intervallo de stabilitæ elettrochimica de l’elettrolito, reduxendo coscì a-o minimo e reaçioin chimiche inutile tra o materiale de l’elettrodo e l’elettrolito.
(6) No solo o dovieiva avei un costo basso e un proçesso de scintexi sencio, ma o dovieiva ascì mostrâ unn’erta amixiçia con l’ambiente.
Pe de ciù, o materiale do catòdo o dovieiva demostrâ ascì unn’eccellente stabilitæ elettrochimica e termica.
I materiali catòdichi existenti peuan vegnî scompartii pe-o ciù inte træ categorie in sciâ base de seu differense de struttua de cristallo: 1 struttua à seu, comme l’òscido de cobalto de litio (LiCoO2) e i materiali ternäi (LiNiCo, Mni{1}}x{2}}yO2); struttua d’oliviña, comme o fosfato de færo de litio (LiFePO4); òscidi de struttua de spinello, comme l’òscido de manganese de litio (LiMn2O4) e l’òscido de manganese de nichel de litio (LiNi10,5Mn1,5O4). Diversci tipi de catòdi an despæge denscitæ d’energia, caratteristiche elettrochimiche e costi, che in sciâ fin î rendan adatti pe diversci campi e scenäi d’applicaçion. I materiali catòdichi à struttua à seu fan referensa à di materiali catòdichi con unna struttua microcristalliña à seu, che comprendan pe-o ciù l’òscido de cobalto de litio, l’òscido de manganese de cobalto de nichel de litio e l’òscido de manganese ricco de litio. Tra de questi, l’òscido de cobalto de litio e l’òscido de nichel de cobalto de manganese son a-o momento i materiali catòdichi ciù deuviæ pe-e battëie à iòni de litio inti produti elettrònichi digitali e inte battëie à iòni de litio de potensa. Son caratterizzæ da unn’erta denscitæ d’energia, unn’eccellente prestaçion de çiclo e unna boña prestaçion complesciva, ma l’erta proporçion de metalli comme o nichel, o cobalto e o manganese a pòrta à di costi ciù erti.
Materiale de catòdo à òscido de cobalto de litio
L’òscido de cobalto de litio (LiCoO2) o l’é stæto descoverto da-o sciençiato american e premiou Nobel pe chimica JB Goodenough e commercializzou pe-a primma vòtta da-a Sony Corporation do Giappon di anni ’90. Anche a-a giornâ d’ancheu l’òscido de cobalto de litio o l’arresta un di materiali catòdichi co-a denscitæ d’energia volumetrica ciù erta. Pe sta raxon o l’é deuviou pe coscì inti produti de çellole digitale che domandan unn’erta denscitæ d’energia volumetrica, comme i telefònni mòbili, i smartwatch e i cuffie Bluetooth.
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 V). Pe de ciù, o LiCoO2 o l’exibisce unna conduttivitæ elettrònica e iònica relativamente ciù boña, unn’effiçensa potente e de caratteristiche de carregamento spedio, ch’o soddisfa i requixiti de battëie d’elettrònica de consummo d’ancheu e donca o l’à unna larga gamma d’applicaçioin. In sciâ base de ste propietæ, o LiCoO2 o l’arresta un di megio materiali catòdichi fin à ancheu.
I metodi prinçipæ de scintexi pe l’òscido de cobalto de litio comprendan a scintexi à stato sòlido à erta temperatua, a scintexi à gel de sol e a copreçipitaçion à bassa temperatua. A scintexi do stato sòlido à erta temperatua a compòrta a mescciua de sæ de litio e de cobalto che contëgnan di òscidi ò di idròscidi inte un rappòrto stechiometrico speçifico, e dapeu a calçinaçion da mescciua à unna temperatua adatta pe un çerto tempo, e dapeu o refrescamento e o semenaçion, o campionamento. Sciben che o metodo de scintexi à stato sòlido à erta temperatua o l’é largamente deuviou inta produçion industriale, o piggia do tempo, o domanda de temperatue de scintexi erte e o produxe de pövie omogenee grende e despæge con de deviaçioin steichiometriche scignificative, co-o resultato de un aumento sostançiale do costo.
Matëiæ à catòdo fosfato
Do 1997, o Goodenough et al. pe-a primma vòtta o l’à propòsto o fosfato de færo de litio (LiFePO4) comme materiale catòdico pe-e battëie à iòni de litio.
Apreuvo a-o seu basso costo, a-a seu struttua stabile e à l’erta seguessa, sto materiale o l’é vegnuo pittin à pittin un di materiali catòdichi preferii pe-e battëie à iòni de litio inti autobi elettrichi e inti scistemi d’immagazzinamento d’energia.
O fosfato de færo de litio (LiFePO4) o condividde unna struttua de cristallo e un scistema de cristallo pægi a-o fosfato de færo (FePO4). Questo o veu dî che o materiale o patisce un cangio minimo de volumme durante l’inserimento/estraçion de ioin de litio, ch’o prevëgne effettivamente i danni a-a ræ provocæ da l’espanscion ò da-a contraçion do volumme. Pe de ciù, sta caratteristica a l’assegua un bon contatto elettrico tra e partiçelle e i additivi conduttoî, co-o resultato de unn’eccellente stabilitæ de çiclo e unna longa duâ de vitta. Pe de ciù, o fosfato de færo de litio o l’é avvoxou pe-a seu amixiçia con l’ambiente, a seu reisa in sciô costo, a seu seguessa eccellente, l’erta capaçitæ speçifica (170 mA·h/g pöcassæ) e a seu piattaforma de carrega/scarica stabile. Dæto sti avvantaggi, o fosfato de færo de litio o l’é consciderou unna çernia ideale pe-i materiali catòdichi inte applicaçioin d’immagazzinamento d’energia in sce larga scâ.
I metodi comprendan proçesci de sol{0}}gel, tecniche de copreçipitaçion e scintexi idrotermica. Ciù into dettaggio, a scintexi idrotermica a genera direttamente o produto bersalio inte unn’autoclava aumentando a temperatua e a prescion, pe mezo di compòsti de færo, litio e fòsforo che se peuan attrovâ de lengê comme matëie primme. Sto metodo o l’é conosciuo pe-o seu fonçionamento sencio, e dimenscioin de partiçelle picciñe e uniforme e o seu basso consummo d’energia. Tutte e mainee, o l'à de limitaçioin pe-a produçion industriâ, sorvetutto apreuvo a-a neçescitæ de contegnui rescistenti a-a prescion progettæ appoxitamente. A copreçipitaçion, in cangio, a se fa inte un scistema de soluçion, donde a morfologia do precursore a l’é influensâ da diversci fattoî comme a conçentraçion, o contròllo da temperatua, a regolaçion do pH e a lestixe de remescio. Dæto o ròllo deçixivo che sti parametri zeugan inta prestaçion do materiale LiFePO sinterizzou finale, l’é fondamentale unna seleçion attenta de condiçioin sperimentale. I produti preparæ con sto metodo no solo posseddan de caratteristiche de microstruttua eccellente (saieiva à dî de dimenscioin de partiçelle picciñe e uniforme), ma mostran ascì de propietæ elettrochimiche superioe; tutte e mainee, va dito che l'intrego proçesso de fonçionamento o l'é relativamente complesso, e de desfie de filtraçion e di problemi de gestion do refuo peuan vegnî feua into corso da lavoraçion.
Òscido de manganese de litio e materiali à base de catòdico ricchi de manganese de litio
Òscido de manganese de litio
Inta reçerca in scî materiali catòdichi de battëie à ioin de litio, un atro materiale catòdico importante e disponibile in sciô mercou o l’é o materiale catòdico strutturou à l’òscido de manganese de litio (LiMn2O4) propòsto da Thackeray et al. do 1983. L’òscido de litio de manganese con unna struttua de spinella o l’appartëgne a-o scistema de cristalli cubbichi. A seu tipica compoxiçion chimica a l’é LiMn2O4. Inta struttua de cristallo de LiMn2O4, l’oscigeno o l’é inte unna struttua cubbica çentrâ in sciâ faccia, tanto che o manganese e l’oscigeno forman unna struttua ottaedrica, comme se vedde inta figua chì sotta.
O manganese o l’é abbondante inta natua e e tecniche de preparaçion pe l’òscido de manganese de litio (LiMn2O4) de tipo spinel (LiMn2O4) mostran de caratteristiche diverse. A via de scintexi e a tecnologia de trasformaçion do materiale influensan direttamente a microstruttua e o sviluppo do gran do produto finale. De conseguensa, l’ottimizzaçion de sti proçesci de scintexi a l’é fondamentale pe megioâ a prestaçion elettrochimica di materiali d’elettrodi inte applicaçioin prattiche. A-o momento, l’industria e l’academia deuvian pe coscì doe qualitæ prinçipæ de metodi pe preparâ o LiMn2O4: uña a se basa in sce l’interaçion tra de matëie primme sòlide, comme e reaçioin à stato sòlido à erta temperatua, a scintexi ascistia da-i media à microonde e o trattamento con l’impregnaçion de sale.
Unn’atra categoria a l’à da fâ co-a trasformaçion chimica inte un ambiente liquido, con di exempi tipichi comme a tecnologia sol{0}}gel, a scintexi idrotermica e e tecniche de copreçipitaçion. LiMnzO4 o l’à attræto l’attençion esteisa apreuvo a-o seu avvantaggio de prexo, a-a seu stabilitæ termica eccellente, a-a seu fòrte rescistensa a-a sorvecarrega e a-i seu boin benefiçi pe l’ambiente. À tutti i mòddi, sto materiale o l’à de carense inta prestaçion de çiclo e de conservaçion, sorvetutto à de temperatue erte, donde a seu prestaçion de çiclo a se pezoa scignificativamente, con portâ à unna perdia de capaçitæ irreverscibile.
à base de litio{0}}ricco de manganese-
A-o de là de l’òscido de manganese de litio, i materiali à base de manganese ricchi de litio à livelli an attræto l’attençion esteisa comme un materiale catòdico emerzente pe-e battëie à iòni de litio.
I metodi de preparaçion pe-i materiali catòdichi à base de manganese ricchi de litio comprendan di metodi à stato sòlido, di metodi à gel sol e di metodi de copreçipitaçion. O metodo à stato sòlido o compòrta a mescciua diretta d’òscidi de metallo e de carbonati de metallo ò d’idròscidi de metallo inte unna çerta proporçion, e apreuvo unna reaçion à stato sòlido à erta temperatua pe ottegnî di materiali ricchi de litio à livello. I avvantaggi do metodo à stato sòlido son a seu capaçitæ de scintetizzâ de gren quantitæ de materiali ricchi de litio à livello, o seu metodo de preparaçion relativamente sencio e o seu basso costo. I desvantaggi son o scarso coeffiçente de diffuxon do sòlido durante a sinterizzaçion à stato sòlido e o fæto che diversci metalli de tranxiçion an di tasci de diffuxon despægi inta reaçion à stato sòlido, cösa ch’a rende diffiçile pe-e partiçelle diffonde tanto ch’abbasta. De conseguensa, l’uniformitæ do materiale scintetizzou a l’é scarsa, cösa ch’a l’influisce in sciâ prestaçion do materiale catòdico. O metodo sol{18}}gel o compòrta primma l’azzonta de unna soluçion de sâ de metallo de tranxiçion à un integratô pe formâ un sol, dapeu l’evapoaçion de l’ægua pe fâla vegnî un gel e in sciâ fin l’asciugâla e a calçinaçion pe ottegnî di materiali ricchi de litio à livelli. Sto metodo o produxe di materiali con unna distribuçion uniforme e unn’erta purezza, e i elettrodi produti mostran de boñe prestaçioin elettrochimiche. À tutti i mòddi, i seu desvantaggi comprendan un longo çiclo de fabricaçion, a neçescitæ de tanti integratoî (açidi organichi ò glicol d’etilene), co-o resultato de di erti costi. Pe de ciù, i materiali ricchi de litio à livelli produti en pe-o ciù de partiçelle fine/micron con unna bassa denscitæ reale. Pe quello, sto metodo o l'é addeuviou ancheu sorviatutto inte di contesti de laboratöio pe-a fabricaçion de materiali ricchi de litio à livelli e o l'é diffiçile da commercializzâ.
Matëiæ à catòdo de nichel erto-
I reçercatoî an çercou pe longo tempo unna stabilitæ à erta temperatua e unn’eccellente prestaçion de tasso comme finalitæ primmäie quande sviluppan o catòdo
materiali pe-e battëie à iòni de litio-. Tra i trei materiali prinçipæ - LiCoO2, LiNi114ConMnO2 (NCM) e LiFePO4 - NCM o l’é tegnuo pe un di materiali à catòdico ciù promettendi apreuvo a-a seu capaçitæ relativamente erta e a seu costo relativamente econòmico. LiCoO2, e megio amixiçia con l'ambiente e avvantaggi de costo in scî mateiæ tradiçionæ.
Sto tipo de materiale o l’à a mæxima struttua de cristallo à seu de tipo -NaFeO2- e o l’appartëgne a-o gruppo spaçiale R-3m. Sto conçetto o l'é stæto propòsto pe-a primma vòtta da-o Liu et al. do 1999. O combiña con astuçia i avvantaggi de trei materiali catòdichi - òscido de cobalto de litio (LiCoO2), òscido de nichel de litio (LiNiO2) e òscido de manganese de litio (LiMnO2) - e o compensa effettivamente pe-o presentâ de figue individuale). Regolando o rappòrto di elementi de metallo de tranxiçion, se peu ottegnî ancon de ciù l’equilibrio ottimale tra capaçitæ speçifica, prestaçioin do çiclo, seguessa e costo.
A struttua de cristallo do materiale à catòdico ternäio d’òscido de nichel de cobalto de litio (NCM) a l’é fondamentalmente pægia à quella de LiCoO2, tutti doî appartëgnan a-a struttua à seu esagonale.
