Ti disenio ti masakbayandagiti bateria ti lithium-ionmasapul a kabaelanna a sungbatan dagiti panagkasapulan dagiti nangato-enerhia-konsumo nga alikamen, a kas dagiti puro nga elektrikal a lugan, plug-in hybrid de koriente a lugan, ken dagiti agtalinaed a sistema ti panagidulin ti enerhia. Para kadagiti nobela nga anode a materiales a mapatpataud, ti kapasidad ket maysa kadagiti kangrunaan a mangipakita ti panagaramid. Maibatay kadagiti nadumaduma a mekanismo ti reaksion, dagiti sumagmamano a kandidato a material nga addaan kadagiti nangato a teoretiko a kapasidad ket mairaman ti silikon (Si), germanium (Ge), silikon monoksido (SiO), lata (Sn), ken ti oksidona (SnOz), nga addaan kadagiti gagangay a kapasidad manipud iti 783 mA·g (para iti SnOz) aginggana iti 4211 mA·h/g (para iti Si). Urayno dagitoy a materiales ti alloy ket mangipakpakitada kadagiti nangatngato nga espesipiko a pagimbagan ti kapasidad no maidilig iti tradisional a grafito (372 mA·bg) ken lithium titanate (LTO, 175 mA·Ng), dagiti panagbalbaliw ti tomo ken ti damo a saan a mabaliwan a pannakapukaw ti kapasidad a mapasaranda bayat ti panagkarga ken panagiparuar ket manglimitar ti panagbiagda. Tapno maparmek dagitoy a parikut, sinukimat dagiti managsirarak dagiti nadumaduma nga estratehia, kas iti panangkissay iti kadakkel ti partikulo agingga iti nanoscale ken panangpadas a mangbangon kadagiti kompuesto a sistema ti material a naglaon kadagiti aktibo wenno di aktibo a metaliko a paset ti lithium. Karaman kadagitoy a pamay-an, ti panagtipon ti aktibo a balitok ti lithium kadagiti materiales ti alloy tapno mangporma ti konduktibo a buffer substrate ket nangipakita ti potensial iti panangpasayaat ti panagaramid ti siklo. Iti pay maipatinayon, ti panagusar kadagiti nadumaduma a morpolohia dagiti nanoestruktura, a kas dagiti nanowire wenno nanotubo, ket napaneknekan pay a maysa nga epektibo a wagas tapno magun-od dagiti ideal a materiales ti anodo a mangtipon ti nangato a kapasidad, nasayaat a panagaramid ti rate, ken ti napaut a panagbiag ti siklo.
Si--Dagiti materiales ti anodo a naibatay iti silikon
Dagiti materiales ti anodo a naibatay iti silikon- ket nangruna a buklen dagiti puro a silikon, silikon nga oksido, ken dagiti kompuesto ti silikon/karbon. Gapu ti nangato a teoretiko a kapasidadda, kinamannakigayyemda iti aglawlaw, ken dagiti adu a natural a reserba, dagitoy ket nasaknap a naikeddeng a kas ti nasayaat a pagpilian para kadagiti sumaganad a-henerasion a nangato-enerhia-densidad a lithium-ion a bateria nga anode. Dagiti Insik a sientista ket isuda ti immuna iti lubong a nangisingasing ti konsepto ti panagipakat ti nanoscale a silikon kadagiti lithium-ion a bateria. No maited ti nawadwad a rekurso ti silikon ti Tsina ken ti sangalubongan-a mangidadaulo a kapasidad ti panagpataud ti elemental a silikon, ti umad-adu a panagsukisok ken panagrang-ay a panagregget kadagiti silikon-a naibatay nga anodo a materiales ken ti panagusar kadagitoy kadagiti bateria ti lithium-ion ket dakkel ti kaipapanan para iti panagmaster kadagiti kangrunaan a teknolohia dagiti masakbayan a nangato-a panagaramid a bateria ti lithium-ion.
No maipadis kadagiti tradisional a materiales ti anodo ti grafito, ti silikon ket mangipakpakita ti nangatngato a teoretiko nga espesipiko a kapasidad (4211 mA·h/g) ken ti relatibo a nababbaba a potensial ti delithiation (0.5V). Ti nakadkadlaw, nangatngato bassit ti operating voltage ti silicon ngem ti graphite. Ti Figura 5-9 ket mangiladawan ti espesipiko nga atomiko nga urnos iti uneg ti kristal ti silikon. Bayat ti panagkarga, ti panangusar iti silicon kas anode ket mabalin a mangkissay iti surface lithium plating, iti kasta mapasayaat ti kinatalged ti bateria. Maysa pay, nawadwad ken saan a nangina ti silicon. Nupay kasta, ti panangipakat ti silikon kadagiti lithium-ion a bateria nga anode ket mangiparang pay kadagiti sumagmamano a karit. Kas maysa a semikonduktor a material, ti silikon ket addaan iti nakapuy a konduktibidad. Kalpasan ti adu a siklo ti panagkarga-panagdiskarga, dagiti naipangpangruna a panagbalbaliw ti tomo a gapuanan babaen ti pannakaikabil ken pannakairuar ti lithium-ion ket mabalin a mangiturong iti pannakaburak ti material, a mangapektar iti estruktural a kinatalged ken mabalin a pakaigapuan ti pannakaisina ti aktibo a material manipud iti agdama a kolektor, a nakaro ti epektona iti biag ti siklo ti bateria. Iti pay maipatinayon, daytoy a panagpalawa ti tomo ket manglapped pay ti pannakaporma ti natalinaay ken epektibo a solido-estado nga elektrolito nga interface (SED) a pelikula iti rabaw ti silikon. Ti agpapada a panangiwaras iti puro a silikon wenno dagiti kompuestona iti uneg ti carbon matrix ket mabalin a mangpalag-an kadagitoy a parikut agingga iti sumagmamano a tukad: iti maysa a dasig, pasayaatenna ti pakabuklan nga elektroniko a konduktibidad ti kompuesto a material; iti sabali a bangir, ti kaadda ti karbon ket makatulong a mangpalag-an ti panagbannog a gapuanan babaen dagiti panagbalbaliw ti tomo ti silikon, a mangkissay ti pannakadadael ti estruktura ti elektrodo; aggigiddan, ti karbon ket mabalinna nga itandudo ti natalinaay a pannakaporma ti pelikula ti SEI. Gapuna, dagiti kompuesto a materiales a mangtipon kadagiti pagimbagan ti silikon ken karbon ket naikeddeng a maysa kadagiti nasayaat a kandidato ti anodo para kadagiti sumaganad a-henerasion a nangato-enerhia-densidad a lithium-ion a bateria.
SiO
Malaksid ti silikon, ti silikon monoksido (SiO) ket naikeddeng pay a kas maysa a kandidato nga anodo a material para kadagiti bateria ti lithium-ion gapu ti teoretiko a kapasidadna a nasurok a 1600 mA·h/g. Iti pay maipatinayon, ti lithium-oksiheno a koordinasion ket mangipasimudaag kadagiti basbassit a panagbalbaliw ti tomo ken dagiti nababbaba nga enerhia ti panagpaaktibo bayat ti panagkarga ken panagiparuar. Dagiti potensial nga elektrokemikal a reaksion bayat daytoy a proseso ket mairaman ti panagbalbaliw ti SiO iti Si ken LiO, a sarunuen babaen ti pannakaporma ti silikon-lithium a ragup ti sangkap nga addaan iti Li; wenno ti direkta a pannakaporma ti silikon-lithium alloy ken LixSiO2. Maipalagip a ti puro a solido a SiO ket termodinamiko a saan a natalged iti ania man a temperatura ken gapuna ket mabalin a marunaw iti Si ken SiO2 iti sidong dagiti espesipiko a kasasaad babaen ti disproporsionasion a reaksion. Kasla ti silikon, ti SiO ket agpasar iti dakkel a panagpalawa wenno panagpabassit ti tomo bayat ti pannakaikabil ken panagala ti lithium. Iti pay maipatinayon, ti SiO ket addaan iti nakurapay a konduktibidad, a mangibunga kadagiti nabannayat a panagserrek ken panagruar a rate ti lithium-ion. Tapno mataming dagitoy nga isyu, mapasayaat ti mabaliwan a kapasidad, ken mapasayaat ti kinatalged ti siklo, dagiti managsirarak ket nagsukisokda kadagiti nadumaduma nga estratehia. Karaman kadagitoy, ti teknolohia ti panagkalupkop ti karbon, ti elektrokemikal a panangkissay ti lithium iti SiO, ken ti panangkissay ti kadakkel ti partikulo ti SiO ket naibilang a nangruna nga epektibo a pamay-an. Iti partikular, no maikuyog kadagiti babbabassit a partikulo ken dagiti karbon a kalupkop, ti dalan ti panagsaknap dagiti ion ti lithium ket mabalin nga epektibo a mapaababa, bayat a mapasayaat ti episiensi ti panagipatulod ti elektron ken ion, iti kasta ket maparmek dagiti nadakamat a karit.
GE
Ti Germanium ket nakaawis ti naipangpangruna nga atension iti panagsukisok ti material ti anodo ti bateria ti lithium-ion gapu ti nangato a kapasidadna a panagidulin ti litio (1623 mA·h/g) iti Liz2Ge5 nga estoikiometriko a ratio ken ti mabaliwan a proseso ti panagikabil ken panagala ti litio. Urayno ti germanium ket nangina ngem ti silikon ken addaan iti bassit a nababbaba a kapasidad, daytoy ket addaan kadagiti naipangpangruna a pagimbagan, a kas ti konduktibidad a 10,000 a daras ngem ti silikon ken ti banda a giwang iti 0.67 eV laeng. Impakita dagiti panagadal a ti diffusion rate dagiti lithium ions iti germanium ket mamin-15 a daras a naparpartak ngem iti silicon iti 360℃ken 400 a daras a naparpartak iti temperatura ti siled. Dagitoy a tagikua ket mangted ti germanium iti nasayaat a nangato-agdama a panagiparuar a panagaramid ken nangatngato nga episiensiana iti panagitulod ti singir. Daytoy a nangato-a panagaramid ti bileg ket nangruna a napateg para kadagiti aplikasion a kasapulan ti nangato-a panagaramid ti bileg a panagruar, a kas dagiti de koriente a lugan. Nupay kasta, kapada ti silikon, ti germanium ket maipasango pay ti parikut ti panagpalawa ti tomo aginggana ti 300%, a nagbalin a lapped iti praktikal a panagusar daytoy kadagiti bateria ti lithium-ion. Babaen ti panagusar kadagiti disenio ti nanoestruktura a kas dagiti nanopartikulo, nanowire, wenno nanotubo, ti negatibo nga epekto dagiti panagbalbaliw ti tomo ket mabalin nga epektibo a mapabassit, iti kasta ket mapasayaat ti episiensi ti coulombic. Maipalagip a ti panagisagana kadagiti germanium nanoparticle-konduktibo a substrato a kompuesto babaen ti panagusar kadagiti simple a pamay-an a kas ti solido-estado a pirolisis ket mabalin nga ad-adda a mangpasayaat ti elektrokemikal a panagaramid dagiti elektrodo.
SnO2
Ti lata a dioksida (SnO2), nga immuna a pinarang-ay babaen ti Fujifilm, ket nakaawis ti nasaknap nga atension a kas ti negatibo a material ti elektrodo para kadagiti bateria ti lithium-ion gapu ti nangato a teoretiko a kapasidadna ken nababa a boltahe ti panagpataray (agarup a 0.6 eV, relatibo iti LiLi). Iti proseso ti elektrokemikal a reaksion, daytoy ket umuna a mapasaranna ti paset a saan a mabaliwan nga addang, a sadiay ti SnO2 ket maipabassit iti metaliko a lata (Sn) ken lithium oxide (LiO); kalpasanna, ti mabaliwan a paset ket mapasamak, a mairaman ti pannakaporma ken panagrunaw ti lata-lithium alloy. Iti teoretikal, tunggal maysa a mole ti SnO2 ket mabalin a makireaksion iti 8.4 mol ti lithium, a katupag ti teoretiko a kapasidad iti 1491 mA·h/g. Nupay kasta, gapu ti nababa a panagbaliktad ti rugi a reaksion ti panagpabassit, kadagiti praktikal nga aplikasion, ti laeng epektibo a kapasidad a naikontribusion babaen ti simmaruno a proseso ti panag-alloy/dealloying-agarup a 783 mA·h/g-ket kadawyan a naikonsidera, ken daytoy a pateg ket naus-usar a kas ti praktikal a teoretiko a kapasidad ti SnO2 a material. Iti pay maipatinayon, bayat dagiti siklo ti panagiparuar ti karga-, daytoy a material ket agpasar iti dakkel a panagpalawa ti tomo (nasurok a 200%), a mangiturong iti nakaro a pannakapukaw ti kapasidad. Iti daytoy a panggep, dagiti managsirarak ket naipamaysada a mangpasayaat ti panagsiklo a kinatalged ti SnO2 ken mangkissay ti saan a mabaliwan a pannakapukaw ti kapasidad gapu kadagiti panagbalbaliw ti tomo babaen dagiti nadumaduma a pamay-an.