Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden seit 1990 als Energiespeicher für tragbare Elektronikgeräte verwendet.
Lithium-Ionen-Batterien (LIB) werden seit 1990 als Energiespeicher für tragbare Elektronikgeräte verwendet. In letzter Zeit sind diese als Energiequellen für Fahrzeuge wie Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge bekannt. Sowohl der Schichttyp LiCoO2, LiNiO2 als auch der Spinelltyp LiMn2O4 sind aufgrund ihrer hohen Betriebsspannung von 4 V die wichtigsten Kathodenmaterialien (Mizushima et al., 1980, Guyomard et al. 1994). Bisher wurde hauptsächlich LiCoO2 als Kathodenmaterial für kommerzielle LIB verwendet. Bei LiCoO2 und LiNiO2 besteht jedoch das Problem, dass die Kapazität aufgrund der Instabilität des Aufladevorgangs nachlässt. Auch Kobalt ist teuer und seine Ressource reicht nicht aus. Daher ist LiCoO2-Kathodenmaterial nicht als LIB für EV und HEV geeignet. Andererseits gilt LiMn2O4 aufgrund seiner Vorteile wie niedrige Kosten, Ungiftigkeit und thermische Stabilität als vielversprechendes Kathodenmaterial für große LIB-Typen (Pegeng et al., 2006). Es war auch bekannt, dass der Ni-Ersatztyp LiMn2O4 (LiNi0,5Mn1,5O4) bei etwa 5 V wiederaufladbares Verhalten zeigte (Markovsky, et.al, 2004, Idemoto, et.al, 2004, Park, et.al, 2004) . LiNi0,5Mn1,5O4 ist als Kathodenmaterial mit hoher Leistungsdichte, das ein aktives Potential bei 5 V aufwies, in erheblichem Maße bekannt. Es wurde festgestellt, dass der Schichttyp LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2 überlegene Hochpotential-Kathodeneigenschaften aufweist. Dies hatte eine wiederaufladbare Kapazität von mehr als 150 mAh/g bei höherer Rate und eine geringere thermische Stabilität, zeigt jedoch einen deutlichen Kapazitätsverlust während des langen Aufladevorgangs. In jüngster Zeit wird eine Phosphatverbindung vom Olivin-Typ als alternatives Kathodenmaterial erwähnt. LiFePO4 und LiMnPO4 wurden aufgrund ihrer geringen Kosten, der Umweltfreundlichkeit, der hohen thermischen Stabilität und der elektrochemischen Leistung als Materialien der nächsten Generation für große LIB erwartet. Andererseits wird erwartet, dass Anoden vom Oxidtyp, wie z. B. Li4Ti5O12 vom Spinelltyp, aufgrund der besseren Sicherheit als Kandidaten für den Ersatz von Kohlenstoffanoden gelten. LIB, bestehend aus LiFePO4-Kathode und Li4Ti5O12-Anode, bietet hohe Sicherheit und lange Lebensdauer. Daher wird die Anwendung von HEV oder Stromversorgung zum Lastausgleich bei der Windkraft- und Solarstromerzeugung erwartet. Bisher haben wir die Sprühpyrolysetechnik als Aerosolverfahren zur Herstellung von LiFePO4- und Li4Ti5O12-Pulvern für LIB entwickelt. In diesem Kapitel wurden die Pulververarbeitung und die elektrochemischen Eigenschaften von LiFePO4-Kathoden- und Li4Ti5O12-Anodenmaterialien durch Sprühpyrolyse beschrieben.
Die Sprühpyrolyse ist ein vielseitiges Verfahren zur Pulversynthese anorganischer und metallischer Materialien (Messing et al., 1993, Dubois et al. 1989, Pluym et al. 1993). Zur Erzeugung des Nebels wird häufig ein Zerstäuber wie ein Ultraschall- (Ishizawa et al., 1985) oder eine Zweistoffdüse (Roy et al., 1977) verwendet. Der Nebel ist ein Tröpfchen, in dem anorganische Salze oder metallorganische Verbindungen in Wasser oder einem organischen Lösungsmittel gelöst sind. Die Tröpfchen wurden getrocknet und bei erhöhter Temperatur pyrolysiert, um Oxid- oder Metallpulver zu bilden. Die Vorteile der Sprühpyrolyse bestehen darin, dass die Kontrolle von Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Morphologie möglich ist. Darüber hinaus können feine Pulver mit homogener Zusammensetzung leicht erhalten werden, da die Komponente der Ausgangslösung im Nebel eines Ultraschallzerstäubers oder einer Zweistoffdüse gehalten wird. Jedes Metallion vermischte sich homogen in jedem Nebel. Jeder Nebel spielt im Mikromaßstab eine Rolle als chemischer Reaktor. Die Produktionszeit war sehr kurz (weniger als 1 Minute). Bei anderen Lösungsprozessen wie Hydrothermalverfahren, Fällung oder Hydrolyse wurden die Oxidpulver oft innerhalb weniger Stunden hergestellt. Darüber hinaus müssen Prozesse wie Trennung, Trocknung und Brennen nach der chemischen Reaktion in der Lösung durchgeführt werden. Die Oxidpulver werden ohne diese Schritte in der Sprühpyrolyse kontinuierlich gewonnen. Bisher wurde berichtet, dass dieser Prozess bei Mehrkomponenten-Oxidpulvern wie BaTiO3 (Ogihara et al., 1999) und Legierungspulvern wie Ag-Pd (Iida et al. 2001) wirksam ist.
Kürzlich wurden schichtartige Lithium-Übergangsmetalloxide wie LiCoO2 (Ogihara et al. 1993), LiNiO2 (Ogihara et al. 1998), LiNi0.5Mn1.5O4 (Park et al. 2004) und LiNi1/ entwickelt. Es wurden auch 3Mn1/3Co1/3O2 (Park et al., 2004) und Spinell-Lithium-Übergangsmetalloxide wie LiMn2O4 (Aikiyo et al. 2001) synthetisiert, die als Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Batterien verwendet werden durch Sprühpyrolyse. Es war klar, dass diese aus der Sprühpyrolyse gewonnenen Kathodenmaterialien hervorragende wiederaufladbare Leistungen zeigten. Dabei zeigte sich, dass die Partikeleigenschaften wie einheitliche Partikelmorphologie, enge Größenverteilung und homogene chemische Zusammensetzung zu einer höheren Wiederaufladbarkeit, höheren Effizienz, einem langen Lebenszyklus und einer höheren thermischen Stabilität führten.
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