Desain masa depanbatré litium{0}}ionkudu bisa nyumponan tungtutan alat-energi-luhureun, saperti kandaraan listrik murni, nyolok-kandaraan listrik hibrida, jeung sistem panyimpen énérgi stasioner. Pikeun bahan anoda novél dina pangwangunan, kapasitas mangrupikeun salah sahiji indikator kinerja konci. Dumasar mékanisme réaksi béda, sababaraha bahan calon kalawan kapasitas téoritis luhur ngawengku silikon (Si), germanium (Ge), silikon monoksida (SiO), timah (Sn), jeung oksida na (SnOz), kalawan kapasitas has mimitian ti 783 mA·g (pikeun SnOz) nepi ka 4211 mA·h/g (pikeun Si). Sanajan bahan alloy ieu némbongkeun kaunggulan kapasitas spésifik luhur dibandingkeun grafit tradisional (372 mA · bg) jeung litium titanate (LTO, 175 mA · Ng), parobahan volume sarta leungitna kapasitas teu bisa balik awal aranjeunna ngalaman salila muatan jeung ngurangan ngawatesan lifespan maranéhanana. Pikeun ngungkulan masalah ieu, panalungtik geus ngajajah rupa-rupa strategi, kayaning ngurangan ukuran partikel kana skala nano jeung nyoba ngawangun sistem bahan komposit ngandung komponén litium logam aktif atawa teu aktif. Diantara metodeu ieu, ngagabungkeun emas litium aktif sareng bahan alloy pikeun ngabentuk substrat panyangga konduktif parantos nunjukkeun poténsial pikeun ningkatkeun kinerja siklus. Salajengna, ngagunakeun morfologi struktur nano anu béda, sapertos kawat nano atanapi tabung nano, ogé parantos kabuktosan janten pendekatan anu efektif pikeun ngahontal bahan anoda idéal anu ngagabungkeun kapasitas anu luhur, kinerja laju anu saé, sareng umur siklus anu panjang.
Si--Bahan anoda dumasar-Silikon
Bahan anoda basis silikon{0}}utamana diwangun ku silikon murni, silikon oksida, jeung komposit silikon/karbon. Kusabab kapasitas téoritis anu luhur, ramah lingkungan, sareng cagar alam anu seueur, aranjeunna sacara lega dianggap pilihan idéal pikeun anoda batré ion -generasi luhur-énergi-litium{5}}dénsitas luhur. Élmuwan Cina anu munggaran di dunya ngajukeun konsép pikeun nerapkeun silikon skala nano kana batré-ion litium. Kusabab sumberdaya silikon Cina anu loba pisan jeung -kapasitas produksi utama silikon unsur dunya, ngaronjatkeun usaha panalungtikan sarta pamekaran dina bahan anoda basis silikon -sarta aplikasina dina batré-ion litium penting pisan pikeun ngawasaan téknologi konci tina{12}}kinerja luhur batré litium{13}} hareup.
Dibandingkeun bahan anoda grafit tradisional, silikon némbongkeun kapasitas spésifik téoritis nu leuwih luhur (4211 mA·h/g) jeung poténsi delithiation rélatif handap (0.5V). Utamana, tegangan operasi silikon rada luhur batan grafit. Gambar 5-9 ngagambarkeun susunan atom husus dina kristal silikon. Salila ngecas, ngagunakeun silikon salaku anoda bisa ngurangan permukaan litium plating, kukituna ngaronjatkeun kaamanan batré. Saterusna, silikon loba pisan tur murah. Tapi, ngalarapkeun silikon kana anoda batré{11}}ion litium ogé aya sababaraha tangtangan. Salaku bahan semikonduktor, silikon boga konduktivitas goréng. Saatos sababaraha kali siklus pangeusian-muatan, parobahan volume anu signifikan dibalukarkeun ku asupan jeung sékrési ion litium-bisa ngakibatkeun pegatna bahan, mangaruhan stabilitas struktur sarta berpotensi ngabalukarkeun pamisahan bahan aktif ti kolektor ayeuna, mangaruhan pisan umur siklus batré. Satuluyna, ékspansi volume ieu ogé ngahalangan kabentukna film solid -state electrolyte interface (SED) stabil sarta éféktif dina beungeut silikon. Uniformly dispersing silikon murni atawa sanyawa na dina matrix karbon bisa alleviate masalah ieu extent sababaraha: di hiji sisi, éta ngaronjatkeun konduktivitas éléktronik sakabéh bahan komposit; di sisi séjén, ayana karbon mantuan alleviate stress disababkeun ku parobahan volume silikon, ngurangan karuksakan struktur éléktroda; sakaligus, karbon bisa ngamajukeun formasi stabil tina pilem SEI. Ku alatan éta, bahan komposit anu ngagabungkeun kaunggulan silikon jeung karbon dianggap salah sahiji calon anoda idéal pikeun -generasi luhur-énergi-batré litium-ion dénsitas luhur.
SiO
Salian ti silikon, silikon monoksida (SiO) ogé dianggap bahan anoda calon batré ion litium - alatan kapasitas téoritisna ngaleuwihan 1600 mA·h/g. Saterusna, litium-koordinasi oksigén nunjukkeun parobahan volume nu leuwih leutik sarta énergi aktivasina handap salila muatan jeung ngurangan. Poténsi réaksi éléktrokimia salila prosés ieu ngawengku konvérsi SiO jadi Si jeung LiO, dituturkeun ku formasi silikon -alloy litium jeung Li; atawa formasi langsung tina silikon -alloy litium jeung LixSiO2. Catet yén SiO padet murni sacara térmodinamik teu stabil dina suhu naon waé sahingga tiasa terurai jadi Si sareng SiO2 dina kaayaan spésifik ngaliwatan réaksi disproportionation. Sarupa jeung silikon, SiO ngalaman ékspansi volume signifikan atawa kontraksi salila sisipan litium jeung ékstraksi. Sajaba ti éta, SiO boga konduktivitas goréng, balukarkeun laju asupna jeung kaluaran ion litium{11}}lambat. Pikeun alamat masalah ieu, ningkatkeun kapasitas malik, sarta ngaronjatkeun stabilitas siklus, peneliti geus digali rupa strategi. Diantara ieu, téknologi palapis karbon, réduksi éléktrokimia litium dina SiO, sareng ngirangan ukuran partikel SiO dianggap pendekatan anu épéktip. Khususna, nalika digabungkeun sareng partikel anu langkung alit sareng palapis karbon, jalur difusi ion litium tiasa sacara efektif disingget, bari ningkatkeun efisiensi konduksi éléktron sareng ion, ku kituna tiasa ngatasi tantangan anu disebut tadi.
GE
Germanium geus narik perhatian signifikan dina panalungtikan bahan anoda batré litium -ion alatan kapasitas neundeun litium anu luhur (1623 mA·h/g) dina rasio stoichiometric Liz2Ge5 jeung prosés nyelapkeun jeung ékstraksi litium anu bisa malik. Sanajan germanium leuwih mahal batan silikon sarta boga kapasitas rada handap, eta mibanda kaunggulan signifikan, kayaning konduktivitas 10.000 kali silikon sarta celah pita ukur 0,67 eV. Panaliti nunjukkeun yén laju difusi ion litium dina germanium 15 kali langkung gancang tibatan silikon dina 360 derajat sareng 400 kali langkung gancang dina suhu kamar. Sipat-sipat ieu masihan germanium -kinerja luang anu luhur sareng efisiensi angkutan muatan anu langkung luhur. Ieu{15}}kinerja kakuatan tinggi téh hususna penting pikeun aplikasi nu merlukeun{16}}kaluaran kakuatan kinerja tinggi, kayaning kandaraan listrik. Tapi, sarupa jeung silikon, germanium ogé nyanghareupan masalah ékspansi volume nepi ka 300%, nu geus jadi halangan pikeun aplikasi praktis dina batré litium{19}}ion. Ku ngagunakeun desain struktur nano sapertos nanopartikel, kawat nano, atanapi tabung nano, dampak negatif tina parobahan volume tiasa sacara efektif diréduksi, ku kituna ningkatkeun efisiensi coulombik. Perhatikeun yén persiapan germanium nanopartikel -komposit substrat konduktif ngagunakeun métode basajan saperti solid-pirolisis kaayaan bisa salajengna ngaoptimalkeun kinerja éléktrokimia éléktroda.
SnO2
Timah dioksida (SnO2), mimitina dikembangkeun ku Fujifilm, geus narik perhatian umum salaku bahan éléktroda négatip pikeun batré litium-ion alatan kapasitas téoritis luhur sarta tegangan operasi low (kira-kira 0,6 eV, relatif ka LiLi). Dina prosés réaksi éléktrokimia, mimitina ngalaman léngkah sawaréh teu bisa balik, dimana SnO2 diréduksi jadi timah logam (Sn) jeung litium oksida (LiO); saterusna, lumangsung fase malik, ngalibetkeun formasi jeung dékomposisi timah -alloy litium. Sacara téoritis, unggal mol SnO2 tiasa ngaréaksikeun sareng 8,4 mol litium, saluyu sareng kapasitas téoritis 1491 mA·h/g. Sanajan kitu, tinangtu reversibility low tina réaksi réduksi awal, dina aplikasi praktis, ngan kapasitas éféktif nyumbang ku prosés alloying/dealloying saterusna -kira 783 mA·h/g{13}} ilaharna dianggap, sarta nilai ieu dipaké salaku kapasitas teoritis praktis bahan SnO2. Satuluyna, dina mangsa{16}}siklus muatan, bahan ieu ngalaman ékspansi volume anu signifikan (leuwih 200%), ngabalukarkeun leungitna kapasitas anu parah. Pikeun tujuan ieu, panalungtik dedicated ka ningkatkeun stabilitas Ngabuburit of SnO2 sarta ngurangan leungitna kapasitas teu bisa balik alatan parobahan volume ngaliwatan rupa métode.