El material del catodo l’è la funt primaria de ion liti en unbateria a ion litio-. Durant la carica, i ion de liti sun estratt de la reticul de cristal del material del catodo e entran in del material del anodo; l’inverso se verifica durante la scarica. La capacità riversibil e el pian de tensiun del material del catodo durant la carica e la scarica determinan en gran part la densità d’energia de la bateria a ion litio. Inolter, perché el material del catodo g’ha denter metal cuma litio, cobalto e nichel, l’è el compunent püsee impurtant del cust de una bateria a ion litio.
El svilupp di materiai a catodo cun volta densità d’energia, volta tensiun de uscita, lunga durada e facilità de fabricaziun l’è de grand impurtanza. Un material a catodo ideal duvaria sudisfà i seguent cundiziun de bas.
(1) El g’ha un volt putenzial de ossid-reduziun, garantint una volta tensiun de uscita per la bateria.
(2) Pœu acomodar tanti ion de litio pusibel, garantind una volta capacità de la bateria.
(3) Durant l’inseriment e l’estraziun di ion de litio, el material del catodo pœu mantegnir la sò stabilità strutural, garantind inscì una lunga vida del ciclo per l’eletrodo.
(4) G’ha un’eccellent condutività eletronich e ionich, reducend efetivament la perdita de energia causada di effett de polarizaziun, garantind inscì i capacità de carica e de scarica rapida de la bateria.
(5) L’interval de tensiun de funziunament de la bateria duvaria vèss denter del interval de stabilità eletrochimich del eletrolit, minimizand inscì i reaziun chimich inutil intra el material del eletrodo e l’eletrolit.
(6) Minga sultant duvaria avegh un bas prezi e un prucess de sintès facil, ma duvaria anca mustrar una volta amicizia cun l’ambient.
Inolter, el material del catodo duvaria anca dimustrà una ecellent stabilità eletrochimich e termich.
I materiai a catodo esistent pœden vèss principalment dividù en tri categurì sü la bas di luur diferenzi de strütüra cristallina: strütüra a strati, cuma l’ossido de cobalto de litio (LiCoO2) e i materiai ternari (LiNiCo, Mni{1}}x{2}}yO2); strutura de olivina, cuma el fosfat de ferr de liti (LiFePO4); ossid de strutura de spinel, cuma l’ossido de manganes de litio (LiMn2O4) e l’ossido de manganes de nichel de litio (LiNi10,5Mn1,5O4). Diferent tip de catodi g’han diferenti densità d’energia, carateristich eletrochimich e cust, e a la fin i renden giüst per diferenti camp e scenari d’aplicaziun. I materiai catodici cun strutura a strati se riferisen ai materiai catodici cun una strutura microcristallin a strati, che cumprenden principalment ossido de cobalto de litio, ossido de manganes de cobalto de litio e ossido de manganes ricco de litio. Intra luur, l’ossido di cobalto di litio e l’ossido di cobalto di nichel di litio e l’ossido di cobalto di nichel di litio sunt atualment i materiai a catodo püsee duperà per i bateri a ion de litio in di prudot eletronich digital e per i bateri a ion de litio de alimentaziun. Sun caraterizà de una volta densità de energia, di bon prestaziun del ciclo e di bon prestaziun cumplesif, ma la volta prupurziun de metal cuma el nichel, el cobalto e el manganes porta a di prezi püsee volt.
Materiai a catodo de ossido di cobalto di litio
L’ossido di cobalto di litio (LiCoO2) l’è stà descuvert del scienzià american e laureà del Nobel en chimich, JB Goodenough, e cumerscializà per la prima volta de la Sony Corporation del Giapun in di an ‘90. Ancamò incœu, l’ossido de cobalto de litio l’è un di materiai del catodo cun la püsee volta densità d’energia volumetrica. Per chestu mutif, l’è ampiament duperà in di prudot celùlar digital che dumandan una volta densità de energia volumetrich, cuma i telefonin, 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). Inolter, LiCoO2 mustra una condutività eletronich e ionich relativament superiur, un’eficienza elettrich e carateristich de carica rapida, sudisfant i dumand di atuai bateri eletronich de consum e donc avend una vasta gama de aplicaziun. Sü la bas de chesti proprietà, LiCoO2 resta un di migliur materiai a catodo fin incœu.
I principai metud de sintès per l’ossido de cobalto de liti inclùden la sintès a stat solid a volta temperadüra, la sintès de gel sol e la coprecipitaziun a bassa temperadüra. La sintès del stat solid a volta temperadüra cumporta la mescolanza de sel de litio e de cobalto che g’han denter ossid o idrossid en un raport steichiometrich specifich, e dopu la calcinaziun de la mistura a una temperadüra giüsta per un cert temp, seguida del raffreddament e del vaciament a polverizaziun. Anca se el metud de sintès a stat solid a volta temperadüra l’è tant duperà in de la produziun industrial, dupera temp, dumanda volt temperadur de sintès e produss grandi polvar omogenei e minga uniform cun deviaziun steichiometrich significatif, cunt un aument sustanzial di cust.
Materiai a catodo fosfat
In del 1997, Goodenough et al. prima propost el fosfat de ferr al litio (LiFePO4) cuma material catodich per i bateri a ion litio.
Per el sò bas prezi, la strutura stabil e la volta sicureza, chestu material l’è diventà gradualment un di materiai a catodo preferì per i bateri a ion litio in di bus eletrich e in di sistèm de inmagazinament del energia.
El fosfat de ferr de liti (LiFePO4) el cundivid una strütüra cristallin e un sistèm de cristal simil cunt el fosfat de ferr (FePO4). Chestu significa che el material sperimenta un cambiament minim de volum durant l’inseriment/estraziun di ion litio, prevenend di dann a la reticul causà del espansiun o de la contraziun del volum. Inolter, chesta carateristich garantiss un bon cuntat eletric intra i partisel e i aditif conduttif, cunt el resultà de una ecellent stabilità del ciclo e de una lunga durada. Ancamò, el fosfat de ferr al litio l’è famus per sò amicizia cun l’ambient, eficacia, sicureza ecellent, volta capacità specifich (circa 170 mA·h/g) e piattafurma de carica/scarica stabil. Dat chesti vantagg, el fosfat de ferr al litio l’è cunsiderà una scernida ideal per i materiai a catodo en aplicaziun de inmagazinament de energia sü laargh scäla.
I metud includen prucess de sol, tecnich de coprecipitaziun e sintès idrotermich. In del specifich, la sintès idrotermich la genera diretament el prudot mira en un autoclava aumentand la temperadüra e la presiun, duperand cumpost de ferr, litio e fosfor facilment dispunibel cuma materiai prima. Chestu metud l’è famus per el sò funziunament facil, i dimensiun di partisel piscinin e uniform e el bas cunsum de energia. Però, g’ha di limit per la produziun industrial, soratüt per la necessità de contenidur resistent a la presiun appositament prugetà. La coprecipitazion, d'oltra banda, la se fa ind un sistema de soluzion, indov qe la morfolojia del precursor l'è influenzada de vari fator comè la concentrazion, el controll de la temperadura, la regolazion del pH e el tass de mes'ciadura. Dat el ròll decisif che chesti parameter g’han in de la prestaziun del material LiFePO sinterizà final, l’atenta seleziun di cundiziun sperimentai l’è fundai. I prudot preparà cun chestu metud g’han minga sultant di carateristich de microstrütura ecelent (cioè dimensiun di partisel piscinin e uniform) ma mustran anca di proprietà eletrochimich superiur; però, l’è bon de notar che l’inter prucess operatif l’è relativament cumpless e che durant la lavuraziun pœden nasser di sfid de filtraziun e di prublem de gestiun del rument.
Materiai a catodo a bas de ossido de manganes de litio e de manganes ricc de litio
Ossido di litio manganes
In de la ricerca di materiai catodich de bateria a ion litio, un olter materiai catodich impurtant e dispunibil in del cumercio l’è el materiai catodich struturà a ossido de manganes de litio (LiMn2O4) propost de Thackeray et al. in del 1983. L’ossido de litio manganes struturà de spinel fa part del sistèm de cristal cubic. La sò composiziun chimich tipich l’è LiMn2O4. Ind la strutura de cristal de LiMn2O4, l’ossijen l’è ind una strutura cubica centrada in su la faça, inscambi el mangan e l’ossijen formen una strutura otaedrega, comè mostrad ind la figura sota.
El manganès l’è abundant en natüra e i tecnich de preparaziun per l’ossido de manganès de liti (LiMn2O4) de tip spinel (LiMn2O4) mustran diferenti carateristich. La via de sintès e la tecnologia de lavuraziun del material influiscon diretament sü la microstrütüra e sül svilupp del cereal del prudot final. Donca, l’utimizaziun de chesti pruces de sintès l’è fundamental per mejiorar la prestaziun eletrochimich di materiai eletrodich en aplicaziun prategh. Incœu, l’industria e el mund academich duperan dü tip principai de metud per preparar LiMn2O4: un se basa sü l’interaziun intra materiai grès solid, cuma i reaziun a stat solid a volta temperadüra, la sintès asistida de media a microonde e el tratament de impregnaziun.
Un'oltra categoria la comporta la trasformazion qimega ind un ambient liquid, cont esempi tipeg intra quei la tecnolojia sol{0}}jel, la sintesi idrotermega e i tecnege de coprecipitazion. LiMnzO4 g’ha atirà tanta atenziun per el sò vantagg de prezi, l’eccellent stabilità termich, la fort resistenza a la suracarica e i bon vantagg ambientai. Però, chestu material g’ha di mancanz in de la prestaziun de ciclo e de cunservaziun, en particular a volt temperadür, induè la sò prestaziun de ciclo se deteriora significativament, purtand a una pèrt de capacità irreversibil.
a bas de liti -ricco de manganes-
Olter al ossido de manganes de litio, i materiai a strati a bas de manganes de litio g’han atirà tanta atenziun cuma materiai catodich emergent per i bateri a ion litio.
I metud de preparaziun per i materiai catodich a bas ricc de manganes inclùden metud a stato solido, metud a gel sol e metud de coprecipitaziun. El metud a stat solid preved la mescolanza direta de ossid de metal e carbonat de metal o idrossid de metal en una certa prupurziun, seguida de una reaziun a stat solid a volta temperadüra per ottener materiai richi de liti a strati. I vantagg del metud a stat solid sun la sò capacità de sintetizar grandi quantità de materiai rich a strati de litio, el sò metud de preparaziun relativament facil e el sò bas prezi. I svantagg sun el scadent cueficient de difusiun del solid durant la sinterizaziun en stat solid e el fatt che diferent metal de transiziun g’han diferenti tass de difusiun in de la reaziun en stat solid, rendend dificil per i partisel de diffundiss sufisentment. Donca, l’uniformità del material sintetizà l’è scadent, che influiss sü la prestaziun del material del catodo. El metud sol{18}}gel cumporta prima de giuntà una soluziun de sal de metal de transiziun a un integratur per furmà un sol, dopu evapurar l’aqua per renderla un gel e a la fin seccarla e calcinarla per ottener materiai richi de liti a strati. Chestu metud produss materiai cun distribuziun uniform e volta pureza e i eletrodi prudot mustran di bon prestaziun eletrochimich. Però, i sò svantagg includen un luungh ciclo de fabricaziun, la necessità de tanti integratur (acid organich o etilenglicol), cunt el resultà di volti cust. Inolter, i materiai richi de liti a strati prudot sun per la magiur part partisel nano/micron fin cun basa densità real. Donca, chestu metud l’è incœu duperà principalment en cuntest de laboratori per la fabricaziun de materiai rich en liti a strati e l’è dificil de cumercializar.
Materiai a catodo de nichel volt
I ricercadur g’han cercà per tant temp una stabilità a volta -temperadüra e un’eccellent prestaziun de velocità cuma ubietif primari quand se sviluppan el catodo
materiai per i bateri a ion litio. Intra i tri materiai principai ({2}} LiCoO2, LiNi110Co1MnO2 (NCM), e LiFePO4 - NCM l’è cunsiderà un di materiai a catodo püsee prometent a causa de la sò capacità specifich relativament volta rispett al bas prezi, relativament economich. LiCoO2, e una mejior amichevulità cun l’ambient e di vantagg de cust süi materiai tradiziunai.
Chestu tip de material g’ha l’istess tip -NaFeO2-strütura a strati e fa part del grupp spazial R-3m. Chestu cuncett l’è stà propost per la prima volta de Liu et al. in del 1999. Cumbina cun sapienza i vantagg de tri materiai a catodo - ossid de cobalto de litio (LiCoO2), ossido de nichel de litio (LiNiO2) e ossido de manganes de litio (LiMnO2) - e cumpensa efetivament i singul presentaziun). Reguland el raport intra i element de metal de transiziun, se pœu ottegnir ulteriorment l’equilibri ottimal intra la capacità specifich, la prestaziun del ciclo, la sicüreza e el cust.
La strutura cristallin del material a catodo ternari de ossido de cobalto de litio nichel (NCM) l’è praticament la stess de quela de LiCoO2, tüt i dü partegnen a la strutura a strati esagunal.
