Id-disinn tal-futurbatteriji tal-litju-joneiridu jkunu kapaċi jissodisfaw it-talbiet ta' apparati li jikkunsmaw-enerġija-għoli, bħal vetturi elettriċi puri, vetturi elettriċi ibridi plug-, u sistemi ta' ħażna tal-enerġija stazzjonarji. Għal materjali anodi ġodda taħt żvilupp, il-kapaċità hija waħda mill-indikaturi ewlenin tal-prestazzjoni. Ibbażat fuq mekkaniżmi ta 'reazzjoni differenti, xi materjali kandidati b'kapaċitajiet teoretiċi għoljin jinkludu silikon (Si), ġermanju (Ge), monossidu tas-silikon (SiO), landa (Sn), u l-ossidu tiegħu (SnOz), b'kapaċitajiet tipiċi li jvarjaw minn 783 mA·g (għal SnOz) sa 4211 mA·h/g (għal Si). Għalkemm dawn il-materjali tal-liga juru vantaġġi ta 'kapaċità speċifika ogħla meta mqabbla mal-grafita tradizzjonali (372 mA·bg) u titanat tal-litju (LTO, 175 mA·Ng), il-bidliet fil-volum u t-telf tal-kapaċità irriversibbli inizjali li jgħaddu minnhom matul iċ-ċarġ u l-iskariku jillimitaw il-ħajja tagħhom. Biex jegħlbu dawn il-problemi, ir-riċerkaturi esploraw diversi strateġiji, bħat-tnaqqis tad-daqs tal-partiċelli għan-nanoskala u jippruvaw jibnu sistemi ta 'materjal kompost li jkun fihom komponenti tal-litju metalliku attivi jew inattivi. Fost dawn il-metodi, il-kombinazzjoni tad-deheb tal-litju attiv ma 'materjali ta' liga biex tifforma sottostrat ta 'buffer konduttiv wriet potenzjal fit-titjib tal-prestazzjoni taċ-ċiklu. Barra minn hekk, l-użu ta 'morfoloġiji differenti ta' nanostrutturi, bħal nanowires jew nanotubi, wera wkoll li huwa approċċ effettiv biex jinkisbu materjali anodi ideali li jgħaqqdu kapaċità għolja, prestazzjoni ta 'rata tajba, u ċiklu ta' ħajja twila.
Si--Materjali tal-anodi bbażati fuq is-silikon
Il-materjali tal-anodi bbażati fuq is-silikon- huma magħmulin prinċipalment minn silikon pur, ossidu tas-silikon, u komposti tas-silikon/karbonju. Minħabba l-kapaċità teoretika għolja tagħhom, l-ambjent favur l-ambjent, u r-riżervi naturali abbundanti, huma ġeneralment meqjusa bħala l-għażla ideali għall-anodi tal-batteriji tal-jone tal-litju-tal--ġenerazzjoni li jmiss ta'-enerġija-densità għolja. Ix-xjentisti Ċiniżi kienu l-ewwel fid-dinja li pproponew il-kunċett tal-applikazzjoni tas-silikon fuq skala nanoskala għal batteriji tal-litju-jone. Minħabba r-riżorsi abbundanti tas-silikon taċ-Ċina u l-kapaċità ta' produzzjoni ewlenija-dinjija tas-silikon elementali, iż-żieda fl-isforzi ta' riċerka u żvilupp fuq materjali tal-anodi-ibbażati fuq is-silikon u l-applikazzjoni tagħhom f'batteriji tal-jone tal-litju-hija ta' importanza kbira għall-ħakma tat-teknoloġiji ewlenin tal-batteriji tal-jone tal-litju-tal-futur ta' prestazzjoni għolja-.
Meta mqabbel ma 'materjali tradizzjonali tal-anodi tal-grafita, is-silikon juri kapaċità speċifika teoretika ogħla (4211 mA·h/g) u potenzjal ta' delithiation relattivament aktar baxx (0.5V). Notevolment, il-vultaġġ operattiv tas-silikon huwa kemmxejn ogħla minn dak tal-grafita. Figura 5-9 turi l-arranġament atomiku speċifiku fi ħdan kristall tas-silikon. Waqt l-iċċarġjar, l-użu tas-silikon bħala l-anodu jista 'jnaqqas il-kisi tal-litju tal-wiċċ, u b'hekk itejjeb is-sigurtà tal-batterija. Barra minn hekk, is-silikon huwa abbundanti u rħas. Madankollu, l-applikazzjoni tas-silikon għall-anodi tal-batteriji tal-litju-jone tippreżenta wkoll xi sfidi. Bħala materjal semikonduttur, is-silikon għandu konduttività fqira. Wara ċikli multipli ta 'ċarġ-skariku, il-bidliet sinifikanti fil-volum ikkawżati mill-inserzjoni u r-rilaxx tal-jone tal-litju- jistgħu jwasslu għal ksur tal-materjal, li jaffettwa l-istabbiltà strutturali u potenzjalment jikkawża separazzjoni tal-materjal attiv mill-kollettur kurrenti, li jħallu impatt qawwi fuq il-ħajja taċ-ċiklu tal-batterija. Barra minn hekk, din l-espansjoni tal-volum tfixkel ukoll il-formazzjoni ta' film tal-interface tal-elettroliti tal-istat solidu-solidu (SED) stabbli u effettiv fuq il-wiċċ tas-silikon. It-tixrid uniformi tas-silikon pur jew il-komposti tiegħu fi ħdan matriċi tal-karbonju jista 'jtaffi dawn il-problemi sa ċertu punt: minn naħa waħda, ittejjeb il-konduttività elettronika ġenerali tal-materjal kompost; min-naħa l-oħra, il-preżenza tal-karbonju tgħin ittaffi l-istress ikkawżat minn bidliet fil-volum tas-silikon, u tnaqqas il-ħsara lill-istruttura tal-elettrodu; fl-istess ħin, il-karbonju jista 'jippromwovi l-formazzjoni stabbli tal-film SEI. Għalhekk, materjali komposti li jgħaqqdu l-vantaġġi tas-silikon u l-karbonju huma kkunsidrati bħala wieħed mill-kandidati anodi ideali għall-batteriji tal-jone tal-litju ta'-ġenerazzjoni li jmiss ta'-enerġija-densità għolja.
SiO
Minbarra s-silikon, il-monossidu tas-silikon (SiO) huwa wkoll meqjus bħala materjal anodu kandidat għal batteriji tal-litju-jone minħabba l-kapaċità teoretika tiegħu li teċċedi l-1600 mA·h/g. Barra minn hekk, il-koordinazzjoni tal--ossiġnu tal-litju timplika bidliet fil-volum iżgħar u enerġiji ta' attivazzjoni aktar baxxi waqt iċ-ċarġ u l-iskariku. Reazzjonijiet elettrokimiċi potenzjali matul dan il-proċess jinkludu l-konverżjoni ta 'SiO għal Si u LiO, segwita mill-formazzjoni ta' liga tas-silikon-litju b'Li; jew il-formazzjoni diretta ta' liga tas-silikon-litju u LixSiO2. Ta 'min jinnota li SiO solidu pur huwa termodinamikament instabbli fi kwalunkwe temperatura u għalhekk jista' jiddekomponi f'Si u SiO2 taħt kundizzjonijiet speċifiċi permezz ta 'reazzjoni ta' sproporzjon. Simili għas-silikon, SiO jgħaddi minn espansjoni jew kontrazzjoni sinifikanti tal-volum waqt l-inserzjoni u l-estrazzjoni tal-litju. Barra minn hekk, SiO għandu konduttività fqira, li tirriżulta f'rati ta' dħul u ħruġ bil-mod tal-jone tal-litju-. Biex jindirizzaw dawn il-kwistjonijiet, itejbu l-kapaċità riversibbli, u jtejbu l-istabbiltà taċ-ċiklu, ir-riċerkaturi esploraw diversi strateġiji. Fost dawn, it-teknoloġija tal-kisi tal-karbonju, it-tnaqqis elettrokimiku tal-litju f'SiO, u t-tnaqqis tad-daqs tal-partiċelli SiO huma kkunsidrati approċċi partikolarment effettivi. B'mod partikolari, meta kkombinat ma 'partiċelli iżgħar u kisjiet tal-karbonju, il-mogħdija tad-diffużjoni tal-joni tal-litju tista' titqassar b'mod effettiv, filwaqt li tittejjeb l-effiċjenza tal-konduzzjoni tal-elettroni u tal-jone, u b'hekk jingħelbu l-isfidi msemmija hawn fuq.
GE
Il-ġermanju ġibed attenzjoni sinifikanti fir-riċerka tal-materjal tal-anodi tal-batterija tal-litju-jone minħabba l-kapaċità għolja ta 'ħażna tal-litju (1623 mA·h/g) fil-proporzjon stojkjometriku Liz2Ge5 u l-proċess ta' inserzjoni u estrazzjoni tal-litju riversibbli tiegħu. Għalkemm il-ġermanju jiswa aktar mis-silikon u għandu kapaċità kemmxejn aktar baxxa, jippossjedi vantaġġi sinifikanti, bħal konduttività 10,000 darba dik tas-silikon u distakk tal-medda ta '0.67 eV biss. Studji wrew li r-rata ta 'diffużjoni tal-joni tal-litju fil-ġermanju hija 15-il darba aktar mgħaġġla milli fis-silikon f'360 grad u 400 darba aktar mgħaġġla f'temperatura tal-kamra. Dawn il-proprjetajiet jagħtu lill-ġermanju prestazzjoni eċċellenti ta' skarigu ta' kurrent għoli-u effiċjenza ogħla tat-trasport tal-ċarġ. Din il--prestazzjoni ta' qawwa għolja hija partikolarment importanti għal applikazzjonijiet li jeħtieġu output ta'-qawwa ta' prestazzjoni għolja, bħal vetturi elettriċi. Madankollu, simili għas-silikon, il-ġermanju jiffaċċja wkoll il-problema ta 'espansjoni tal-volum sa 300%, li saret ostaklu għall-applikazzjoni prattika tiegħu fil-batteriji tal-litju-jone. Billi tuża disinji tan-nanostruttura bħal nanopartiċelli, nanowires, jew nanotubi, l-impatt negattiv tal-bidliet fil-volum jista 'jiġi mtaffi b'mod effettiv, u b'hekk tittejjeb l-effiċjenza coulombic. Ta 'min jinnota li l-preparazzjoni ta' komposti ta 'sottostrat konduttiv tan-nanopartiċelli tal-ġermanju bl-użu ta' metodi sempliċi bħall-piroliżi tal-istat solidu- tista 'tottimizza aktar il-prestazzjoni elettrokimika tal-elettrodi.
SnO2
Id-dijossidu tal-landa (SnO2), żviluppat inizjalment minn Fujifilm, ġibed attenzjoni mifruxa bħala materjal ta 'elettrodu negattiv għal batteriji tal-jone tal-litju - minħabba l-kapaċità teoretika għolja tiegħu u l-vultaġġ operattiv baxx (madwar 0.6 eV, relattiv għal LiLi). Fil-proċess ta 'reazzjoni elettrokimika, l-ewwel jgħaddi minn pass parzjalment irriversibbli, fejn SnO2 jitnaqqas għal landa metallika (Sn) u ossidu tal-litju (LiO); sussegwentement, isseħħ fażi riversibbli, li tinvolvi l-formazzjoni u d-dekompożizzjoni tal-liga tal-litju-landa. Teoretikament, kull mole ta 'SnO2 jista' jirreaġixxi ma '8.4 mol ta' litju, li jikkorrispondi għal kapaċità teoretika ta '1491 mA·h/g. Madankollu, minħabba r-riversibbiltà baxxa tar-reazzjoni tat-tnaqqis inizjali, f'applikazzjonijiet prattiċi, hija biss il-kapaċità effettiva kkontribwita mill-proċess ta' liga/deliga sussegwenti-madwar 783 mA·h/g-hija tipikament ikkunsidrata, u dan il-valur jintuża bħala l-kapaċità teoretika prattika tal-materjal SnO2. Barra minn hekk, matul iċ-ċikli ta' skariku ta' charge-, dan il-materjal jgħaddi minn espansjoni sinifikanti tal-volum (aktar minn 200%), li jwassal għal telf qawwi ta' kapaċità. Għal dan il-għan, ir-riċerkaturi huma ddedikati biex itejbu l-istabbiltà taċ-ċikliżmu ta 'SnO2 u jnaqqsu t-telf tal-kapaċità irriversibbli minħabba bidliet fil-volum permezz ta' diversi metodi.