مواد الأقطاب كاثودات وأنودات لبطاريات الليثيوم أيون والصوديوم أيون: البنية البلورية، متوسط الجهد، السعة النظرية (المحسوبة من الصيغة) والسعة العملية النموذجية، ولكل منها مصادرها.
Li-ion Na-ion
الكل الكاثودات الأنودات
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 100 150 300 500 700 1000 1500 3000 السعة النوعية (mAh/g، مقياس لوغاريتمي) متوسط الجهد (V مقابل Li/Li⁺) LMO LCO NMC111 NMC811 NCA LFP LTO السيليكون الغرافيت الليثيوم الفلزي
LiCoO₂
البنية طبقية (من نوع α-NaFeO₂) · ثلاثي R3 m (رقم 166) الجهد ≈3.8 V vs Li/Li⁺ [32 , 33 , 34 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 97.87 g/mol) = 273.8 mAh/g (1 Li لكل LiCoO₂)
العملية ≈140–150 mAh/g
الطاقة النوعية ≈560 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات جيد إذا توقف الشحن عند نحو 4.2 V؛ ويتدهور أسرع مع جهود قطع أعلى. كثافة طاقة حجمية عالية تصنيع بسيط ومجرَّب الكوبالت مكلف وإمداداته محدودة لا يمكن تدوير سوى نصف الليثيوم تقريبًا LiNi₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃O₂
البنية طبقية (من نوع α-NaFeO₂) · ثلاثي R3 m (رقم 166) الجهد ≈3.7 V vs Li/Li⁺ [32 , 37 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 96.46 g/mol) = 277.9 mAh/g (1 Li لكل وحدة صيغة)
العملية 150 mAh/g (3.5–4.2 V)؛ و200 mAh/g حتى 5.0 V
الطاقة النوعية ≈560 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات جيد؛ خيار شائع لخلايا السيارات الكهربائية طويلة العمر. توازن جيد بين السعة والسلامة والتكلفة كوبالت أقل من LCO لا يزال يحتوي على الكوبالت جهد أدنى من LCO LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂
البنية طبقية (من نوع α-NaFeO₂) · ثلاثي R3 m (رقم 166) الجهد ≈3.7 V vs Li/Li⁺ [38 , 39 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 97.28 g/mol) = 275.5 mAh/g (1 Li لكل وحدة صيغة)
العملية ≈200 mAh/g
الطاقة النوعية ≈740 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات يحتفظ بأكثر من 95 % من السعة بعد 100 دورة في نصف خلية؛ وتتدهور الأصناف الأغنى بالنيكل أسرع. تشقق الجسيمات وتفاعلية السطح معالجة دقيقة (الرطوبة، بقايا الليثيوم) LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂
البنية طبقية (من نوع α-NaFeO₂) · ثلاثي R3 m (رقم 166) الجهد ≈3.7 V vs Li/Li⁺ [32 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 96.08 g/mol) = 278.9 mAh/g (1 Li لكل وحدة صيغة)
العملية ≈199 mAh/g
الطاقة النوعية ≈740 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات جيد، لكنه حساس لدرجات الحرارة المرتفعة والدورات العميقة. سعة عالية وطاقة نوعية عالية الألومنيوم يحسّن الاستقرار يحتوي على الكوبالت والنيكل استقرار حراري أدنى من LFP LiFePO₄
البنية أوليفين · معيني قائم Pnma (رقم 62) الجهد ≈3.4–3.5 V (مسطّح) vs Li/Li⁺ [32 , 35 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 157.75 g/mol) = 169.9 mAh/g (1 Li لكل LiFePO₄)
العملية ≈160–165 mAh/g
الطاقة النوعية ≈570 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات طويل جدًا؛ الأطول عمرًا بين الكاثودات الشائعة. حديد رخيص ووفير؛ بلا كوبالت ولا نيكل آمن جدًا وطويل العمر جهد وكثافة طاقة أدنى يحتاج إلى طلاء كربوني وجسيمات صغيرة ليوصل LiMn₂O₄
البنية سبينل · مكعب Fd3 m (رقم 227) الجهد ≈4.1 V vs Li/Li⁺ [32 , 36 , 55 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 180.81 g/mol) = 148.2 mAh/g (1 Li لكل LiMn₂O₄)
العملية ≈120 mAh/g
الطاقة النوعية ≈490 Wh/kg (على مستوى المادة، Q × V)
عمر الدورات متوسط؛ يذوب المنغنيز عند درجات الحرارة المرتفعة ويسمّم الأنود. منغنيز رخيص وغير سام مسارات ثلاثية الأبعاد لـ Li⁺: قدرة جيدة أدنى سعة بين الكاثودات الشائعة ذوبان المنغنيز يقصّر العمر C₆ → LiC₆
البنية طبقية (صفائح الغرافين، تراص AB) · سداسي P63 /mmc (رقم 194) الجهد ≈0.1–0.2 V (هضاب المراحل) vs Li/Li⁺ [32 , 42 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 72.07 g/mol) = 371.9 mAh/g (1 Li لكل C₆ (LiC₆)، لكل غرام من الكربون)
العملية ≈350–360 mAh/g
عمر الدورات طويل؛ الأنود المعياري لخلايا الليثيوم أيون التجارية. جهد منخفض ومسطّح: جهد خلية مرتفع رخيص وطويل العمر قريب من 0 V: خطر ترسب الليثيوم عند الشحن السريع أو في البرد سعة محدودة بـ LiC₆ Si → Li₁₅Si₄
البنية مكعبة من نوع الألماس (لا بلورية بعد الإشباع بالليثيوم) · مكعب Fd3 m (رقم 227) الجهد ≈0.4 V vs Li/Li⁺ [40 ]
النظرية 3.75 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 28.09 g/mol) = 3578.6 mAh/g (3.75 Li لكل Si (Li₁₅Si₄)، لكل غرام من السيليكون)
العملية آلاف mAh/g نظريًا؛ ويُمزج عادةً مع الغرافيت
عمر الدورات قصير للسيليكون النقي: تمدد حجمي بنحو 280 % يشقق الجسيمات وطبقة SEI. نحو عشرة أضعاف سعة الغرافيت وفير ورخيص تغير حجمي هائل عند الإشباع بالليثيوم النمو المستمر لطبقة SEI يستهلك الليثيوم Li₄Ti₅O₁₂ → Li₇Ti₅O₁₂
البنية سبينل («انفعال صفري») · مكعب Fd3 m (رقم 227) الجهد 1.55 V (مسطّح) vs Li/Li⁺ [41 ]
النظرية 3 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 459.08 g/mol) = 175.1 mAh/g (3 Li لكل Li₄Ti₅O₁₂)
العملية ≈170 mAh/g
عمر الدورات ممتاز: بالكاد يتغير حجم الشبكة، فلا تتدهور الجسيمات. لا تغير في الحجم («انفعال صفري») آمن: أعلى بكثير من جهد ترسب الليثيوم جهد مرتفع: جهد خلية وطاقة أدنى سعة أقل من الغرافيت Li
البنية فلز مكعب ممركز الجسم · مكعب Im3 m (رقم 229) الجهد 0 V (مرجع) vs Li/Li⁺ [43 ]
النظرية 1 × 96485 C/mol ÷ (3.6 × 6.94 g/mol) = 3861.9 mAh/g (لكل غرام من الليثيوم)
العملية ≈3860 mAh/g
عمر الدورات محدود بالتغصنات وضعف الكفاءة الكولومية؛ هدف أساسي للإلكتروليتات الصلبة. أعلى سعة وأدنى جهد ممكنين يتيح خلايا Li–S وخلايا الحالة الصلبة قد تُحدث التغصنات دارة قصيرة في الخلية يتفاعل مع الإلكتروليتات السائلة 