Материалы для батарей и электродов

Материалы для батарей и электродов — это твердые вещества, которые запасают электрохимическую энергию: структуры-хозяева, которые обратимо поглощают и высвобождают ионы, в паре с электролитами, которые переносят ионы между ними, в то время как электроны текут по внешней цепи.

Definition

Материалы для электрода батареи — это твердые вещества, которые запасают заряд посредством обратимых электрохимических реакций, обычно путем интеркаляции и деинтеркаляции ионов; вместе с ионопроводящим электролитом они образуют ячейку, в которой химическая энергия запасается и высвобождается в виде электрической энергии.

Scope

Эта тема охватывает химию материалов перезаряжаемых батарей, сосредоточенную на литий-ионной системе: слоистые, шпинельные и полианионные катодные материалы; углеродные и сплавные аноды; а также жидкие, полимерные и твердые электролиты. Рассматривается, как кристаллическая структура и окислительно-восстановительная химия электрода определяют его напряжение, емкость и скорость, структурные изменения, сопровождающие циклирование, и границы раздела, которые определяют стабильность и срок службы.

Core questions

• Как интеркаляционные электроды обратимо запасают заряд?
• Что определяет напряжение и емкость электродного материала?
• Как структурные изменения при циклировании ограничивают срок службы батареи?
• Какую роль играют жидкие, полимерные и твердые электролиты?

Key concepts

• Интеркаляционный хозяин
• Материалы катода и анода
• Напряжение и емкость ячейки
• Электролиты
• Межфазный слой твердый электролит-электрод
• Срок службы и деградация

Key theories

Интеркаляционная электрохимия

Слоистые и каркасные материалы обратимо внедряют ионы, такие как литий, в вакантные узлы с сопутствующим изменением степени окисления переходного металла в материале-хозяине; окислительно-восстановительный потенциал и количество узлов определяют напряжение и емкость ячейки.

Электролиты и границы раздела

Электролит должен проводить рабочий ион, блокируя электроны и оставаясь стабильным по отношению к обоим электродам; реакции на границе раздела электрод-электролит образуют пассивирующие слои, которые защищают ячейку, но расходуют емкость и определяют срок службы.

Mechanisms

При разряде ионы покидают один электрод, мигрируют через электролит и внедряются в другой, в то время как электроны проходят по внешней цепи, а переходные металлы-хозяева изменяют степень окисления; зарядка обращает этот процесс, при этом структура-хозяин расширяется и сжимается, а межфазные пленки образуются и развиваются.

Clinical relevance

Материалы для батарей и электродов питают портативную электронику, электромобили и крупномасштабные накопители энергии; достижения в химии катодов, анодов и электролитов, которые повышают плотность энергии, улучшают безопасность и продлевают срок службы, имеют центральное значение для электрификации и интеграции возобновляемых источников энергии.

History

Открытие Уиттингемом (Whittingham) интеркаляционных электродов в 1970-х годах и идентификация Гуденафом (Goodenough) слоистых и полианионных оксидных катодов в 1980-х годах, в сочетании с углеродным анодом Йошино (Yoshino), привели к созданию коммерческой литий-ионной батареи в 1991 году. Последующая химия материалов с тех пор способствовала неуклонному росту плотности энергии и поиску твердотельных и нелитиевых химических систем.

Key figures

• John B. Goodenough
• M. Stanley Whittingham
• Akira Yoshino

Seminal works

• armand2008
• whittingham2004

Frequently asked questions

Что означает интеркаляция в батарее?

Интеркаляция — это обратимое внедрение ионов, таких как литий, в пустые узлы кристаллической структуры материала-хозяина без ее разрушения. Материал-хозяин принимает и высвобождает эти ионы по мере заряда и разряда батареи, что является способом накопления заряда многими перезаряжаемыми электродами.

Почему литий-ионные батареи теряют емкость со временем?

Многократное циклирование вызывает постепенное структурное утомление материалов электродов, потерю активного лития из-за образования межфазных пленок и медленные побочные реакции с электролитом. Эти процессы накапливаются, уменьшая количество заряда, которое может запасти ячейка, сокращая ее полезный срок службы.