Das Herz der Lithium-Ionen-Batterie: Kathodenmaterialien

In den letzten Jahren hat sich die Leistungsbatterie als Kernkomponente von Fahrzeugen mit neuer Energie rasant entwickelt. Die Lithium-Ionen-Batterie ist die am häufigsten verwendete Leistungsbatterie in neuen Energieautos, die hauptsächlich aus Anodenmaterial, Kathodenmaterial, Diaphragma und Elektrolyt besteht. Die Kathodenmaterialien machen mehr als 40 % der Gesamtkosten von Lithiumbatterien aus, und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Leistungsindikatoren von Lithiumbatterien aus, so dass sie eine zentrale Rolle bei Lithiumbatterien spielen. Die Leistung und der Preis von Anodenmaterialien sind die Engpässe, die die weitere Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien zu hoher Energie, langer Lebensdauer und niedrigen Kosten behindern. Daher ist die Entwicklung von Anodenmaterialien eine der Schlüsseltechnologien für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien mit hohem Energiegehalt.

Lithium-Kobalt-Oxid

Lithiumkobaltoxid ist eine anorganische Verbindung und eines der am häufigsten verwendeten Kathodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien auf dem Markt. Es hat eine zweidimensionale Schichtstruktur, die für die Deklination von Lithiumionen geeignet ist, und seine theoretische Kapazität beträgt 274 mAh/g. Aufgrund der begrenzten strukturellen Stabilität kann jedoch in praktischen Anwendungen höchstens die Hälfte der Li+ im Gitter entfernt werden, so dass die tatsächliche spezifische Kapazität bei etwa 140 mAh/g liegt. Lithiumkobaltoxid lässt sich leicht herstellen und hat viele Vorteile, wie z. B. eine hohe elektrochemische Leistung, eine gute Zirkulationsleistung und eine gute Lade- und Entladeleistung, so dass es das erste Anodenmaterial war, das für Lithium-Ionen-Batterien in großem Maßstab eingesetzt wurde.

Lithium-Nickel-Oxid

Die Struktur von Lithium-Nickel-Oxid ist ein kubisches Steinsalz, das dem von Lithium-Kobalt-Oxid gleicht, aber preislich unter dem von Lithium-Kobalt-Oxid liegt. Lithium-Nickel-Oxid hat viele Vorteile wie hohe Temperaturstabilität, geringe Selbstentladung, keine Begrenzung der Überladung und Überentladung, keine Verschmutzung usw. Allerdings ist es aufgrund der hohen Anforderungen an die Kontrolle der Prozessbedingungen sehr schwierig herzustellen, und es lassen sich leicht nicht dosierbare Verbindungen erzeugen, weshalb es nur selten als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien verwendet wird.

Lithiumeisenoxid

Lithiumeisenoxid, das in der Natur in Form von Phosphoferrit-Lithiumerz vorkommt, hat eine Olivinstruktur und gehört zum orthogonalen Kristallsystem. Die theoretische spezifische Kapazität von Lithiumeisenoxid liegt bei 170 mAh/g und die theoretische Spannung bei 3,5 V. Es weist vor und nach dem Laden und Entladen nur geringe strukturelle Veränderungen auf und hat außerdem die Vorteile einer guten Zirkulationsleistung und Hochtemperaturstabilität. Außerdem kann es bei Raumtemperatur nahezu die theoretische Kapazität erreichen. Die Nachteile von Lithiumeisenoxid bestehen darin, dass es bei hoher Stromstärke stark polarisierbar ist und seine reversible Kapazität schnell abfällt. Außerdem kann es nicht mit hohem Strom geladen und entladen werden.

Das Mischoxid aus Lithium-Mangan-Nickel-Kobalt

Durch die Zugabe von Ni, Co und Mn haben die Verbundoxide von Lithium-Mangan-Nickel-Kobalt einen offensichtlichen ternären Synergieeffekt, und die Vorteile von LiCoO2, LiNiO2 und LiMnO2 sind ebenfalls integriert. Die Kapazität des Materials wird durch die Zugabe von Ni effektiv erhöht; die Schichtstruktur ist bemerkenswert stabil, wenn Co hinzugefügt wird; die Zugabe von Mn reduziert die Materialkosten und verbessert auch die Sicherheit.