Dyluniad y dyfodolbatris ion lithiwmrhaid iddo allu bodloni gofynion dyfeisiau sy'n defnyddio llawer o ynni, megis cerbydau trydan pur, cerbydau trydan hybrid wedi'u plygio i mewn, a systemau storio ynni llonydd. Ar gyfer deunyddiau anod newydd sy'n cael eu datblygu, cynhwysedd yw un o'r dangosyddion perfformiad allweddol. Yn seiliedig ar fecanweithiau adwaith gwahanol, mae rhai deunyddiau ymgeisiol â chynhwysedd damcaniaethol uchel yn cynnwys silicon (Si), germanium (Ge), silicon monocsid (SiO), tun (Sn), a'i ocsid (SnOz), gyda chynhwysedd nodweddiadol yn amrywio o 783 mA·g (ar gyfer SnOz) i 4211 mA·h/g (ar gyfer Si). Er bod y deunyddiau aloi hyn yn dangos manteision cynhwysedd penodol uwch o gymharu â graffit traddodiadol (372 mA·bg) a thitanad lithiwm (LTO, 175 mA·Ng), mae'r newidiadau cyfaint a'r golled cynhwysedd anwrthdroadwy cychwynnol y maent yn ei ddioddef yn ystod gwefru a gollwng yn cyfyngu ar eu hoes. Er mwyn goresgyn y problemau hyn, mae ymchwilwyr wedi archwilio strategaethau amrywiol, megis lleihau maint gronynnau i'r nanoscale a cheisio adeiladu systemau deunydd cyfansawdd sy'n cynnwys cydrannau lithiwm metelaidd gweithredol neu anweithredol. Ymhlith y dulliau hyn, mae cyfuno aur lithiwm gweithredol â deunyddiau aloi i ffurfio swbstrad clustogi dargludol wedi dangos potensial i wella perfformiad beicio. Ar ben hynny, mae defnyddio gwahanol forffolegau nanostrwythurau, megis nanowires neu nanotiwbiau, hefyd wedi bod yn ddull effeithiol o gyflawni deunyddiau anod delfrydol sy'n cyfuno gallu uchel, perfformiad cyfradd da, a bywyd beicio hir.
Si--Deunyddiau anod sy'n seiliedig ar silicon
Mae deunyddiau anod sy'n seiliedig ar silicon yn cynnwys silicon pur, silicon ocsid, a chyfansoddion silicon/carbon yn bennaf. Oherwydd eu gallu damcaniaethol uchel, eu cyfeillgarwch amgylcheddol, a'u cronfeydd naturiol toreithiog, fe'u hystyrir yn eang fel y dewis delfrydol ar gyfer anodau batri ïon lithiwm dwysedd uchel y genhedlaeth nesaf. Gwyddonwyr Tsieineaidd oedd y cyntaf yn y byd i gynnig y cysyniad o gymhwyso silicon nanoscale i fatris ïon lithiwm. O ystyried adnoddau silicon toreithiog Tsieina a'r gallu i gynhyrchu silicon elfennol blaenllaw yn y byd, mae ymdrechion cynyddol ymchwil a datblygu ar ddeunyddiau anod sy'n seiliedig ar silicon a'u cymhwysiad mewn batris ïon lithiwm yn arwyddocaol iawn ar gyfer meistroli technolegau allweddol batris ïon lithiwm perfformiad uchel yn y dyfodol.
O'i gymharu â deunyddiau anod graffit traddodiadol, mae silicon yn arddangos cynhwysedd damcaniaethol uwch (4211 mA·h/g) a photensial delithiation cymharol is (0.5V). Yn nodedig, mae foltedd gweithredu silicon ychydig yn uwch na graffit. Mae Ffigur 5-9 yn dangos y trefniant atomig penodol o fewn grisial silicon. Yn ystod codi tâl, gall defnyddio silicon fel yr anod leihau platio lithiwm arwyneb, a thrwy hynny wella diogelwch batri. Ar ben hynny, mae silicon yn helaeth ac yn rhad. Fodd bynnag, mae gosod silicon ar anodau batri ïon lithiwm hefyd yn cyflwyno rhai heriau. Fel deunydd lled-ddargludyddion, mae gan silicon ddargludedd gwael. Ar ôl cylchoedd rhyddhau gwefr lluosog, gall y newidiadau cyfaint sylweddol a achosir gan fewnosod a rhyddhau ïon lithiwm arwain at dorri deunydd, gan effeithio ar sefydlogrwydd strwythurol ac o bosibl achosi gwahanu'r deunydd gweithredol oddi wrth y casglwr presennol, gan effeithio'n ddifrifol ar fywyd beicio'r batri. Ar ben hynny, mae'r ehangiad cyfaint hwn hefyd yn rhwystro ffurfio ffilm rhyngwyneb electrolyt cyflwr solid (SED) sefydlog ac effeithiol ar yr wyneb silicon. Gall gwasgaru silicon pur yn unffurf neu ei gyfansoddion o fewn matrics carbon liniaru'r problemau hyn i ryw raddau: ar y naill law, mae'n gwella dargludedd electronig cyffredinol y deunydd cyfansawdd; ar y llaw arall, mae presenoldeb carbon yn helpu i liniaru'r straen a achosir gan newidiadau cyfaint silicon, gan leihau'r difrod i'r strwythur electrod; ar yr un pryd, gall carbon hyrwyddo ffurfiad sefydlog y ffilm SEI. Felly, mae deunyddiau cyfansawdd sy'n cyfuno manteision silicon a charbon yn cael eu hystyried yn un o'r ymgeiswyr anod delfrydol ar gyfer batris lithiwm-ion dwysedd ynni uchel y genhedlaeth nesaf.
SiO
Heblaw am silicon, mae silicon monocsid (SiO) hefyd yn cael ei ystyried yn ddeunydd anod ymgeisiol ar gyfer batris ïon lithiwm oherwydd ei allu damcaniaethol o fwy na 1600 mA·h/g. Ymhellach, mae cydsymudiad ocsigen lithiwm yn awgrymu newidiadau llai mewn cyfaint ac egni actifadu is yn ystod gwefru a rhyddhau. Mae adweithiau electrocemegol posibl yn ystod y broses hon yn cynnwys trosi SiO i Si a LiO, ac yna ffurfio aloi lithiwm silicon gyda Li; neu ffurfio aloi lithiwm silicon a LixSiO2 yn uniongyrchol. Mae'n werth nodi bod SiO solet pur yn thermodynamig ansefydlog ar unrhyw dymheredd ac felly'n gallu dadelfennu i Si a SiO2 o dan amodau penodol trwy adwaith anghymesur. Yn debyg i silicon, mae SiO yn cael ehangu neu grebachu cyfaint sylweddol yn ystod mewnosod ac echdynnu lithiwm. Yn ogystal, mae gan SiO ddargludedd gwael, sy'n arwain at gyfraddau ïon sy'n dod i mewn ac allan o ïon lithiwm yn araf. Er mwyn mynd i'r afael â'r materion hyn, gwella gallu cildroadwy, a gwella sefydlogrwydd beiciau, mae ymchwilwyr wedi archwilio strategaethau amrywiol. Ymhlith y rhain, ystyrir bod technoleg cotio carbon, gostyngiad electrocemegol o lithiwm yn SiO, a lleihau maint gronynnau SiO yn ddulliau arbennig o effeithiol. Yn benodol, o'i gyfuno â gronynnau llai a haenau carbon, gellir byrhau llwybr trylediad ïonau lithiwm yn effeithiol, gan wella effeithlonrwydd dargludiad electronau ac ïon, a thrwy hynny oresgyn yr heriau a grybwyllwyd uchod.
GE
Mae Germanium wedi denu sylw sylweddol mewn ymchwil deunydd anod batri lithiwm- oherwydd ei allu storio lithiwm uchel (1623 mA·h/g) ar gymhareb stoichiometrig Liz2Ge5 a'i broses mewnosod ac echdynnu lithiwm cildroadwy. Er bod germaniwm yn ddrutach na silicon ac mae ganddo gapasiti ychydig yn is, mae ganddo fanteision sylweddol, megis dargludedd 10,000 gwaith yn fwy na silicon a bwlch band o ddim ond 0.67 eV. Mae astudiaethau wedi dangos bod cyfradd trylediad ïonau lithiwm mewn germaniwm 15 gwaith yn gyflymach nag mewn silicon ar 360 gradd a 400 gwaith yn gyflymach ar dymheredd ystafell. Mae'r eiddo hyn yn rhoi perfformiad rhyddhau cyfredol uchel rhagorol i germanium ac effeithlonrwydd trafnidiaeth gwefr uwch. Mae'r perfformiad pŵer uchel hwn yn arbennig o bwysig ar gyfer cymwysiadau sydd angen allbwn pŵer perfformiad uchel, megis cerbydau trydan. Fodd bynnag, yn debyg i silicon, mae germaniwm hefyd yn wynebu'r broblem o ehangu cyfaint o hyd at 300%, sydd wedi dod yn rhwystr i'w ddefnydd ymarferol mewn batris ïon lithiwm. Trwy ddefnyddio dyluniadau nanostrwythur fel nanoronynnau, nanowires, neu nanotiwbiau, gellir lliniaru effaith negyddol newidiadau cyfaint yn effeithiol, a thrwy hynny wella effeithlonrwydd coulombig. Mae'n werth nodi y gall paratoi cyfansoddion swbstrad dargludol germanium nanoronyn gan ddefnyddio dulliau syml megis pyrolysis cyflwr solid optimeiddio perfformiad electrocemegol yr electrodau ymhellach.
SnO2
Mae tun deuocsid (SnO2), a ddatblygwyd yn wreiddiol gan Fujifilm, wedi denu sylw eang fel deunydd electrod negyddol ar gyfer batris ïon lithiwm oherwydd ei allu damcaniaethol uchel a foltedd gweithredu isel (tua 0.6 eV, o'i gymharu â LiLi). Yn y broses adwaith electrocemegol, yn gyntaf mae'n mynd trwy gam rhannol anwrthdroadwy, lle mae SnO2 yn cael ei leihau i dun metelaidd (Sn) a lithiwm ocsid (LiO); yn dilyn hynny, mae cyfnod cildroadwy yn digwydd, sy'n cynnwys ffurfio a dadelfennu'r aloi lithiwm tun. Yn ddamcaniaethol, gall pob môl o SnO2 adweithio â 8.4 mol o lithiwm, sy'n cyfateb i gynhwysedd damcaniaethol o 1491 mA·h/g. Fodd bynnag, o ystyried gwrthdroadwyedd isel yr adwaith lleihau cychwynnol, mewn cymwysiadau ymarferol, dim ond y cynhwysedd effeithiol a gyfrannwyd gan y broses aloiio/deallo dilynol-tua 783 mA·h/g-a ystyrir yn nodweddiadol, a defnyddir y gwerth hwn fel cynhwysedd damcaniaethol ymarferol deunydd SnO2. Ar ben hynny, yn ystod cylchoedd rhyddhau gwefr, mae'r deunydd hwn yn cael ei ehangu'n sylweddol (dros 200%), gan arwain at golli cynhwysedd difrifol. I'r perwyl hwn, mae ymchwilwyr yn ymroddedig i wella sefydlogrwydd beicio SnO2 a lleihau colli gallu anwrthdroadwy oherwydd newidiadau cyfaint trwy amrywiol ddulliau.