Alumina, sang “penyelamat” material baterai katoda
Struktur dasar baterai litium-ion meliputi elektroda positif, elektroda negatif, elektrolit, separator, dan cangkang baterai. Material elektroda positif merupakan material inti dalam baterai litium-ion, yang menentukan kepadatan energi, platform tegangan, siklus hidup, dan keamanan baterai.
Saat ini, meskipun litium kobalt oksida (LiCoO2), litium mangan oksida (LiMn2O4), litium besi fosfat (LiFePO4), dan material terner (Li-Ni-Co-Mn-O) merupakan empat material elektroda positif yang telah dikomersialkan untuk baterai litium-ion, material-material tersebut memiliki beberapa kekurangan dalam hal keamanan, kinerja siklus, retensi kapasitas, dan aspek lainnya. Untuk meningkatkan stabilitas material elektroda positif, para peneliti menggunakan berbagai metode modifikasi, seperti doping, pelapisan permukaan, dan dua metode yang umum digunakan.
Bagaimana alumina meningkatkan kinerja elektroda positif?
Pelapisan alumina pada material elektroda positif dapat secara efektif meningkatkan stabilitas siklus, siklus hidup, dan stabilitas termal material elektroda positif. Efek utama Al2O3 pada material elektroda positif adalah:
(1) Pengumpul hidrogen fluorida (HF)
LiPF6 adalah elektrolit yang umum digunakan dalam elektrolit. Pada tegangan tinggi, litium heksafluorofosfat (LiPF6) akan bereaksi dengan sejumlah kecil air untuk menghasilkan HF.
(2) Penghalang perlindungan fisik
Melapisi permukaan material elektroda positif dengan Al2O3 dapat mengisolasi material elektroda positif dari elektrolit dan mencegah terjadinya reaksi samping yang berbahaya antara material elektroda positif dan elektrolit.
(3) Meningkatkan stabilitas termal material elektroda positif
Stabilitas termal merupakan salah satu faktor kunci dalam mengevaluasi kinerja baterai litium-ion. Selama proses pengisian dan pengosongan baterai litium, pelepasan oksigen kisi pada material elektroda positif akan menyebabkan elektrolit teroksidasi, sehingga mengurangi stabilitas termalnya.
(4) Meningkatkan laju difusi ion litium
Meskipun aluminium oksida bukanlah konduktor elektron dan ion yang baik, ia dapat bereaksi dengan residu litium pada permukaan material elektroda positif selama proses pengisian dan pengosongan untuk menghasilkan LiAlO2, yang merupakan konduktor ion yang baik dan dapat meningkatkan laju difusi ion litium. Hal ini terutama karena LiAlO2 mengurangi penghalang energi difusi ion litium.
(5) Reaksi dengan LiPF6 untuk menghasilkan aditif elektrolit LiPO2F2
Aluminium oksida yang dilapisi pada permukaan material elektroda positif dapat bereaksi dengan garam litium (LiPF6) dalam elektrolit untuk menghasilkan litium difluorofosfat (LiPO2F2), yang merupakan aditif elektrolit stabil yang dapat secara signifikan meningkatkan stabilitas siklus, keamanan, dan kinerja laju material elektroda positif.
(6) Penghambatan Efek Jahn-Teller
Efek Jahn-Teller merupakan penyebab utama pelarutan ion Mn dalam material elektroda positif, yang dapat menyebabkan kerusakan struktur material elektroda positif dan menghambat difusi ion litium, sehingga menurunkan kinerja elektrokimia material elektroda positif.
Lima Teknologi Pelapisan Utama
Metode Impregnasi: Tambahkan material elektroda positif ke dalam larutan atau sol yang mengandung prekursor aluminium untuk membentuk bubur yang seragam, lalu keringkan dan bakar untuk membentuk material elektroda positif berlapis alumina.
Metode Presipitasi: Campurkan material elektroda positif dan larutan seperti aluminium nitrat atau aluminium klorida secara merata, sesuaikan nilai pH larutan campuran untuk membentuk lapisan pelapis pada permukaan material elektroda positif, dan terakhir, hasilkan material elektroda positif berlapis alumina melalui penyaringan, pencucian, pengeringan, dan perlakuan panas.
Proses Pelapisan Kering: Alumina dan material elektroda positif dapat dicampur langsung untuk membentuk lapisan pelapis kasar pada permukaan material elektroda positif. Meskipun pelapisan seragam tidak dapat dicapai pada permukaan material elektroda positif, hal ini tetap memberikan dampak positif terhadap peningkatan kinerja elektrokimia material elektroda positif.
Metode sputtering: Metode sputtering menggunakan ion Ar+ untuk membombardir material target (Al), sehingga atom Al tersputtering dan terdeposisi pada permukaan material elektroda positif.
Teknologi deposisi lapisan atom (ALD): Menggunakan trimetilalunium dan material lain sebagai sumber aluminium, aluminium oksida dilapisi pada permukaan material elektroda positif. Ketebalannya dapat dikontrol secara presisi, dan peningkatan ketebalan lapisan dicapai dengan meningkatkan jumlah siklus ALD.