آلومینا، “ناجی” مواد باتری کاتدی

ساختار اساسی باتری‌های لیتیوم-یون شامل الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت، جداکننده و پوسته باتری است. ماده الکترود مثبت، ماده اصلی در باتری‌های لیتیوم-یون است که چگالی انرژی، پلتفرم ولتاژ، عمر چرخه و ایمنی باتری را تعیین می‌کند.

در حال حاضر، اگرچه اکسید کبالت لیتیوم (LiCoO2)، اکسید منگنز لیتیوم (LiMn2O4)، فسفات آهن لیتیوم (LiFePO4) و مواد سه‌تایی (Li-Ni-Co-Mn-O) چهار ماده الکترود مثبت تجاری برای باتری‌های لیتیوم-یون هستند، اما دارای نقص‌های خاصی در ایمنی، عملکرد چرخه، حفظ ظرفیت و سایر جنبه‌ها هستند. به منظور بهبود پایداری مواد الکترود مثبت، محققان از روش‌های اصلاح مختلفی مانند دوپینگ، پوشش سطحی و دو روش مشترک استفاده می‌کنند.

آلومینا چگونه عملکرد الکترود مثبت را بهبود می‌بخشد؟

پوشش آلومینا روی مواد الکترود مثبت می‌تواند به طور مؤثر پایداری چرخه، عمر چرخه و پایداری حرارتی مواد الکترود مثبت را بهبود بخشد. اثرات اصلی Al2O3 بر روی مواد الکترود مثبت عبارتند از:

(1) جاذب هیدروژن فلوراید (HF)

LiPF6 یک الکترولیت رایج در الکترولیت‌ها است. تحت ولتاژ بالا، لیتیوم هگزافلوئوروفسفات (LiPF6) با مقادیر ناچیزی از آب واکنش داده و HF تولید می‌کند.

(2) مانع محافظت فیزیکی

پوشش یک لایه Al2O3 بر روی سطح ماده الکترود مثبت می‌تواند ماده الکترود مثبت را از الکترولیت جدا کرده و از بروز واکنش‌های جانبی مضر بین ماده الکترود مثبت و الکترولیت جلوگیری کند.

(3) بهبود پایداری حرارتی مواد الکترود مثبت

پایداری حرارتی یکی از عوامل کلیدی در ارزیابی عملکرد باتری‌های لیتیوم-یون است. در طول فرآیند شارژ و دشارژ باتری‌های لیتیومی، آزاد شدن اکسیژن شبکه‌ای در ماده الکترود مثبت باعث اکسیداسیون الکترولیت شده و در نتیجه پایداری حرارتی آن را کاهش می‌دهد.

(4) بهبود سرعت انتشار یون‌های لیتیوم

اگرچه اکسید آلومینیوم رسانای خوبی برای الکترون‌ها و یون‌ها نیست، اما می‌تواند در طول فرآیند شارژ و دشارژ با لیتیوم باقیمانده روی سطح ماده الکترود مثبت واکنش داده و LiAlO2 تولید کند که رسانای خوبی برای یون‌ها است و می‌تواند سرعت انتشار یون‌های لیتیوم را افزایش دهد. این امر عمدتاً به این دلیل است که LiAlO2 مانع انرژی انتشار یون‌های لیتیوم را کاهش می‌دهد.

(5) واکنش با LiPF6 برای تولید افزودنی الکترولیت LiPO2F2

اکسید آلومینیوم پوشش داده شده روی سطح ماده الکترود مثبت می‌تواند با نمک لیتیوم (LiPF6) در الکترولیت واکنش داده و دی‌فلوروفسفات لیتیوم (LiPO2F2) تولید کند که یک افزودنی الکترولیت پایدار است که می‌تواند پایداری چرخه، ایمنی و عملکرد سرعت ماده الکترود مثبت را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

(6) مهار اثر یان-تلر

اثر یان-تلر علت اصلی انحلال یون‌های منگنز در ماده الکترود مثبت است که ممکن است باعث فروپاشی ساختار ماده الکترود مثبت و مانع انتشار یون‌های لیتیوم شود و در نتیجه باعث کاهش عملکرد الکتروشیمیایی ماده الکترود مثبت شود.

پنج فناوری اصلی پوشش‌دهی

روش اشباع‌سازی: ماده الکترود مثبت را به محلول یا محلول حاوی پیش‌ساز آلومینیوم اضافه کنید تا یک دوغاب یکنواخت تشکیل شود و سپس خشک و کلسینه کنید تا ماده الکترود مثبت با پوشش آلومینا تشکیل شود.

روش رسوب‌دهی: ماده الکترود مثبت و محلولی مانند نیترات آلومینیوم یا کلرید آلومینیوم را به طور یکنواخت مخلوط کنید، مقدار pH محلول مخلوط را تنظیم کنید تا یک لایه پوشش روی سطح ماده الکترود مثبت تشکیل شود و در نهایت با فیلتر کردن، شستشو، خشک کردن و عملیات حرارتی، یک ماده الکترود مثبت با پوشش آلومینا تولید کنید.

فرآیند پوشش‌دهی خشک: مواد آلومینا و الکترود مثبت را می‌توان مستقیماً مخلوط کرد تا یک لایه پوشش خشن روی سطح ماده الکترود مثبت تشکیل شود. اگرچه نمی‌توان پوشش یکنواختی روی سطح ماده الکترود مثبت ایجاد کرد، اما همچنان تأثیر مثبتی بر بهبود عملکرد الکتروشیمیایی ماده الکترود مثبت دارد.

روش کندوپاش: روش کندوپاش از یون‌های Ar+ برای بمباران ماده هدف (Al) استفاده می‌کند، به طوری که اتم‌های Al پراکنده شده و روی سطح ماده الکترود مثبت رسوب می‌کنند.

فناوری رسوب لایه اتمی (ALD): با استفاده از تری متیل آلومینیوم و سایر مواد به عنوان منبع آلومینیوم، اکسید آلومینیوم روی سطح ماده الکترود مثبت پوشش داده می‌شود. ضخامت را می‌توان دقیقاً کنترل کرد و افزایش ضخامت پوشش با افزایش تعداد چرخه‌های ALD حاصل می‌شود.