Katot pil malzemelerinin “kurtarıcısı” Alümina

Lityum iyon pillerin temel yapısı pozitif elektrot, negatif elektrot, elektrolit, ayırıcı ve pil kabuğunu kapsar. Pozitif elektrot malzemesi, lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu, voltaj platformunu, çevrim ömrünü ve pilin güvenliğini belirleyen çekirdek malzemesidir.

Şu anda, lityum kobalt oksit (LiCoO2), lityum manganez oksit (LiMn2O4), lityum demir fosfat (LiFePO4) ve üçlü malzemeler (Li-Ni-Co-Mn-O), lityum iyon piller için ticari olarak üretilen dört pozitif elektrot malzemesi olmasına rağmen, güvenlik, çevrim performansı, kapasite tutma ve diğer açılardan bazı kusurlara sahiptirler. Pozitif elektrot malzemelerinin kararlılığını artırmak için araştırmacılar, katkılama, yüzey kaplama ve iki ortak yöntem gibi farklı modifikasyon yöntemleri kullanmaktadır.

Alümina pozitif elektrot performansını nasıl iyileştirir?

Pozitif elektrot malzemelerine alümina kaplama, pozitif elektrot malzemelerinin çevrim kararlılığını, çevrim ömrünü ve termal kararlılığını etkili bir şekilde iyileştirebilir. Al2O3’ün pozitif elektrot malzemeleri üzerindeki temel etkileri şunlardır:

(1) Hidrojen florür (HF) giderici

LiPF6, elektrolitlerde yaygın olarak kullanılan bir elektrolittir. Yüksek voltaj altında, lityum hekzaflorofosfat (LiPF6), eser miktarda suyla reaksiyona girerek HF oluşturur.

(2) Fiziksel koruma bariyeri

Pozitif elektrot malzemesinin yüzeyine bir Al2O3 tabakası kaplamak, pozitif elektrot malzemesini elektrolitten izole edebilir ve pozitif elektrot malzemesi ile elektrolit arasında zararlı yan reaksiyonların oluşmasını engelleyebilir.

(3) Pozitif elektrot malzemelerinin termal kararlılığının iyileştirilmesi

Termal kararlılık, lityum iyon pillerin performansının değerlendirilmesinde önemli faktörlerden biridir. Lityum pillerin şarj ve deşarj süreci sırasında, pozitif elektrot malzemesindeki kafes oksijeninin salınımı, elektrolitin oksitlenmesine ve dolayısıyla termal kararlılığının azalmasına neden olur.

(4) Lityum iyonlarının difüzyon hızının iyileştirilmesi

Alüminyum oksit, elektron ve iyonlar için iyi bir iletken olmasa da, şarj ve deşarj işlemi sırasında pozitif elektrot malzemesinin yüzeyindeki artık lityum ile reaksiyona girerek, iyonlar için iyi bir iletken olan ve lityum iyonlarının difüzyon hızını artırabilen LiAlO2 üretebilir. Bunun temel nedeni, LiAlO2’nin lityum iyonlarının difüzyon enerji bariyerini düşürmesidir.

(5) LiPF6 ile reaksiyona girerek elektrolit katkı maddesi LiPO2F2 üretilmesi

Pozitif elektrot malzemesinin yüzeyine kaplanan alüminyum oksit, elektrolit içindeki lityum tuzu (LiPF6) ile reaksiyona girerek, pozitif elektrot malzemesinin çevrim kararlılığını, güvenliğini ve hız performansını önemli ölçüde artırabilen kararlı bir elektrolit katkı maddesi olan lityum diflorofosfat (LiPO2F2) üretebilir.

(6) Jahn-Teller Etkisinin Engellenmesi

Jahn-Teller etkisi, pozitif elektrot malzemesindeki Mn iyonlarının çözünmesinin temel nedenidir. Bu durum, pozitif elektrot malzeme yapısının çökmesine ve lityum iyonlarının difüzyonunun engellenmesine neden olarak pozitif elektrot malzemesinin elektrokimyasal performansının düşmesine neden olabilir.

Beş Ana Kaplama Teknolojisi

Emprenye Yöntemi: Pozitif elektrot malzemesini, alüminyum öncülünü içeren çözeltiye veya sol’e ekleyerek homojen bir bulamaç haline getirin ve ardından kurutup kalsine ederek alümina kaplı pozitif elektrot malzemesi elde edin.

Çöktürme Yöntemi: Pozitif elektrot malzemesini alüminyum nitrat veya alüminyum klorür gibi bir çözeltiyle eşit şekilde karıştırın, karıştırılan çözeltinin pH değerini pozitif elektrot malzemesinin yüzeyinde bir kaplama tabakası oluşturacak şekilde ayarlayın ve son olarak filtreleme, yıkama, kurutma ve ısıl işlem yoluyla alümina kaplı pozitif elektrot malzemesi elde edin.

Kuru Kaplama İşlemi: Alümina ve pozitif elektrot malzemeleri, pozitif elektrot malzemesinin yüzeyinde kaba bir kaplama tabakası oluşturmak için doğrudan karıştırılabilir. Pozitif elektrot malzemesinin yüzeyinde homojen bir kaplama elde edilemese de, pozitif elektrot malzemesinin elektrokimyasal performansının iyileştirilmesi üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir.

Sıçratma yöntemi: Sıçratma yöntemi, hedef malzemeyi (Al) bombardıman etmek için Ar+ iyonları kullanır, böylece Al atomları sıçratılarak pozitif elektrot malzemesinin yüzeyine biriktirilir.

Atomik Katman Biriktirme Teknolojisi (ALD): Alüminyum kaynağı olarak trimetilalüminyum ve diğer malzemeler kullanılarak, pozitif elektrot malzemesinin yüzeyine alüminyum oksit kaplanır. Kalınlık hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve kaplama kalınlığındaki artış, ALD döngü sayısının artırılmasıyla sağlanır.