◆Alloy-Teipiwch ddeunyddiau anod
◆Deunyddiau anod metel lithiwm
Yn y broses codi tâl obatris ion lithiwm, mae'r deunydd electrod negyddol yn chwarae rhan hanfodol wrth gludo ïonau lithiwm ac electronau, ac mae'n hanfodol ar gyfer storio a rhyddhau ynni. O safbwynt cost, mae'r deunyddiau hyn yn cyfrif am 5% i 15% o gyfanswm cost gweithgynhyrchu batri ac fe'u hystyrir yn un o'r deunyddiau crai allweddol anhepgor ar gyfer cynhyrchu batri ion lithiwm. Fel y deunydd electrod positif, mae'r deunydd electrod negyddol yn chwarae rhan hynod bwysig wrth hyrwyddo datblygiad technoleg batri ion lithiwm. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda'r galw cynyddol am well perfformiad batri-yn benodol, mae ymchwilwyr wedi rhoi sylw mawr i'r deunydd electrod negyddol, sef un o gydrannau craidd ïon lithiwm, wrth fynd ar drywydd dwysedd ynni uwch, dwysedd pŵer, a sefydlogrwydd a diogelwch beicio gwell.
batris. Dylai deunydd electrod negyddol delfrydol feddu ar y nodweddion canlynol:
(1) Ysgafn, gan ddarparu ar gyfer cymaint o Li â phosibl i wneud y gorau o gapasiti penodol.
(2) Potensial rhydocs isel ar gyfer adweithiau mewnosod ac echdynnu ïon lithiwm, sy'n helpu i gyflawni foltedd allbwn batri uwch.
(3) Dargludedd electronig ac ïonig da.
(4) Anhydawdd mewn toddyddion electrolyte ac nid yw'n adweithio â halwynau lithiwm. (5) Sefydlogrwydd cemegol rhagorol ar ôl codi tâl a gollwng, perfformiad diogelwch uchel a bywyd beicio, a chyfradd hunan-ollwng isel.
(6) Adnoddau rhad, toreithiog, ac yn gyfeillgar i'r amgylchedd.
Gellir rhannu deunyddiau anod yn ddau brif gategori yn seiliedig ar eu cyfansoddiad cemegol: deunyddiau carbon a deunyddiau nad ydynt yn seiliedig ar garbon. Gellir rhannu deunyddiau carbon ymhellach yn ddeunyddiau carbon graffitig a deunyddiau carbon amorffaidd. Mae deunyddiau nad ydynt wedi'u seilio ar garbon yn cynnwys silicon, titaniwm, ac ocsidau metel amrywiol. Ar hyn o bryd, mae'r deunyddiau anod a ddefnyddir yn eang ar y farchnad yn cynnwys tri math yn bennaf: deunyddiau carbon, titanate lithiwm (LiTisOi2), a deunyddiau cyfansawdd carbon sy'n ymgorffori silicon. Gellir rhannu deunyddiau carbon ymhellach yn graffit (graffit naturiol ac artiffisial), carbon meddal a charbon caled. Ymhlith y categorïau hyn, graffit artiffisial sydd â'r gyfran fwyaf o'r farchnad.
Deunyddiau anod rhyngosodedig
deunyddiau carbon
Wrth ddatblygu batris ïon lithiwm, mae'r arloesedd o ddefnyddio deunyddiau carbon i ddisodli lithiwm metelaidd gan fod yr anod yn nodi datblygiad mawr yn y dechnoleg hon. Hyd yn hyn, ni all unrhyw fath arall o ddeunydd anod gyfateb i'w gost-effeithiolrwydd a pherfformiad; felly, disgwylir y bydd deunyddiau carbon yn parhau i fod yn brif ddewis ar gyfer cymwysiadau masnachol ar raddfa fawr am gyfnod sylweddol. Yn seiliedig ar y graddau o graffiteiddio, gellir dosbarthu deunyddiau sy'n seiliedig ar garbon a ddefnyddir fel anodau yn dri chategori: graffit, carbon meddal, a charbon caled. Mae deunyddiau carbon nad ydynt yn graffit i gyd yn dueddol o drawsnewid yn graffit yn ystod prosesu tymheredd uchel; fodd bynnag, mae rhai sylweddau yn fwy tueddol o gael y trawsnewid hwn ac yn cael eu diffinio fel carbon meddal; tra bod y rhai sy'n anodd cwblhau'r broses yn cael eu galw'n garbon caled. Yn nodweddiadol, gellir cael carbon meddal o ddeunyddiau crai fel tar glo neu draw petrolewm; mewn cyferbyniad, mae carbon caled yn cael ei syntheseiddio'n bennaf o gydrannau fel resin ffenolig neu swcros. Ar hyn o bryd, un o'r pynciau a astudiwyd fwyaf ym maes carbon meddal yw microsfferau carbon mesoffas. Mae gan ddeunyddiau carbon graffitig ac angraffitig eu manteision a'u hanfanteision eu hunain pan gânt eu defnyddio fel electrodau negyddol mewn batris ïon lithiwm. Yn seiliedig ar hyn, mae ymchwilwyr yn aml yn defnyddio is-segmentau amrywiol i addasu a newid wyneb y deunyddiau carbon hyn er mwyn gwella eu perfformiad.
Mae gan graffit, fel deunydd haenog (Ffigur 5-8), strwythur mewnol sy'n cynnwys fframwaith hecsagonol o atomau wedi'i drefnu mewn cyflwr hybrid sp2, sy'n ymestyn mewn dau ddimensiwn. O fewn pob haen, mae atomau carbon yn ffurfio strwythur grid hecsagonol cadarn gyda phellter atom carbon-carbon o 0.142 nm ac egni bond o 345 kJ/mol, sy'n arddangos sefydlogrwydd cryf iawn. Mewn cyferbyniad, mae atomau carbon rhwng gwahanol haenau wedi'u cysylltu gan rymoedd van der Waals gwannach, gydag egni rhyngweithio o ddim ond 16.7 kJ/mol, sy'n cyfateb i fylchiad rhyngplanar mesuredig o 0.3354 nm. Gall ïonau lithiwm gael eu mewnosod ac echdynnu cildroadwy rhwng y chwe haen garbon o graffit, gan ffurfio cyfansoddion LiC6 i storio lithiwm. Yn ystod y broses hon, mae'r bylchiad interlayer yn newid yn sylweddol; ar gyfer LiC6, mae'r gwerth hwn yn dod yn 0.37 nm, gan gyflawni uchafswm cynhwysedd penodol damcaniaethol o 372 mA·h/g. At hynny, mae dargludedd rhagorol graffit yn hwyluso mudo electronau cyflym o fewn y deunydd. Fodd bynnag, pan gaiff ei ddefnyddio fel deunydd electrod negyddol, mae graffit hefyd yn cyflwyno rhai anfanteision: gall ei lwyfandir foltedd mewnosod / echdynnu lithiwm cymharol isel arwain at dwf dendritau lithiwm wrth wefru neu ollwng. Unwaith y bydd y dendrites hyn yn treiddio i'r gwahanydd batri, gallant achosi cylchedau byr mewnol, a allai arwain at danau neu hyd yn oed ffrwydradau, gan fygwth diogelwch batri.
Ffigur 5-8 Diagram sgematig o strwythur haenog graffit
Rhennir graffit yn bennaf yn ddau gategori: graffit naturiol a graffit artiffisial. Mae graffit naturiol, wedi'i dalfyrru fel NG (graffit naturiol), yn cyfeirio at ddeunydd carbon uchel a dynnwyd o natur ac a geir trwy brosesu syml. Mae'n meddu ar ddwy forffoleg wahanol o strwythur crisial haenog: hecsagonol a rhombig. Mae'r deunydd hwn nid yn unig yn doreithiog mewn cronfeydd wrth gefn, ond hefyd yn isel o ran cost ac yn gyfeillgar i'r amgylchedd. Fodd bynnag, mewn cymwysiadau batri ïon lithiwm, oherwydd dosbarthiad anwastad gweithgaredd arwyneb a maint grawn mawr gronynnau powdr graffit naturiol, mae ei strwythur grisial arwyneb yn cael ei niweidio'n hawdd yn ystod cylchoedd rhyddhau tâl, gan arwain at sylw ffilm SEI anwastad ac yn effeithio ar effeithlonrwydd coulombig cychwynnol a pherfformiad cyfradd y batri. Er mwyn goresgyn yr heriau hyn, mae ymchwilwyr wedi datblygu technegau amrywiol i wella priodweddau graffit naturiol, megis spheroidization, triniaeth wyneb ocsideiddio, fflworineiddio, a gorchuddio carbon arwyneb, gyda'r nod o wneud y gorau o'i nodweddion arwyneb a microstrwythur.
Gellir cynhyrchu graffit artiffisial trwy graffiteiddio tymheredd uchel o ddeunyddiau carbon sy'n hawdd eu graffiteiddio. Defnyddir y math hwn o ddeunydd yn eang fel y deunydd anod mewn batris ïon lithiwm. O'i gymharu â graffit naturiol, mae graffit artiffisial yn dangos manteision sylweddol o ran bywyd beicio hir, capasiti storio tymheredd uchel, a pherfformiad cyfradd uchel, gan ei wneud yn un o'r deunyddiau anod a ffafrir ar gyfer batris ïon lithiwm a ddefnyddir mewn cerbydau ynni newydd yn Tsieina. Oherwydd ei allu penodol mawr a'i gost gymharol isel, mae graffit artiffisial hefyd yn cael ei ddefnyddio'n helaeth mewn batris pŵer a chynhyrchion electroneg defnyddwyr canolig i uchel. Mae ystadegau'n dangos bod graffit artiffisial yn 2021 yn cyfrif am 84% o'r holl gludo deunyddiau anod.
Rhennir deunyddiau carbon nad ydynt yn graffit yn ddau gategori yn bennaf: carbon caled a charbon meddal. Mae carbon caled yn cyfeirio at fath o ddeunydd carbon sy'n anodd ei drawsnewid yn strwythur graffit hyd yn oed ar dymheredd uchel iawn (uwch na 2800 gradd). Mae'r deunyddiau hyn fel arfer yn cael eu cael trwy byrolyzing rhai polymerau. Yn benodol, mae ffynonellau cyffredin o garbon caled yn cynnwys carbonau resin amrywiol (fel resinau ffenolig, resin polyfurfuryl alcohol PFA-C, a resinau epocsi), carbon a ffurfiwyd gan byrolysis polymerau penodol (fel alcohol polyvinyl (PVA), fflworid polyvinylidene (PVDF), a polyacrylonitrile (PAN), a chynhyrchion carbon du fel ac). Yn ystod y broses baratoi, mae nifer fawr o ddiffygion dellt yn cael eu ffurfio y tu mewn i'r carbon caled, sy'n caniatáu i ïonau lithiwm nid yn unig intercalate rhwng haenau carbon ond hefyd i lenwi'r rhanbarthau diffyg hyn, gan roi cynhwysedd penodol uchel (rhwng 350 a 500 mA·b/g) anodes a wneir o'r deunydd hwn, sy'n fuddiol iawn ar gyfer gwella cynhwysedd cyffredinol batris lithiwm{{9}. Fodd bynnag, mae'r diffygion dellt a grybwyllwyd uchod hefyd yn arwain at effeithlonrwydd coulombig cychwynnol isel a sefydlogrwydd beicio gwael pan ddefnyddir carbon caled fel deunydd anod. Hyd yn hyn, oherwydd y problemau hyn, nid yw carbon caled wedi'i ddefnyddio'n helaeth mewn batris ïon lithiwm a gynhyrchir yn fasnachol, ac mae rhai rhwystrau o hyd cyn y gellir ei ddefnyddio ar raddfa fawr.
Mae carbon meddal yn cyfeirio at ddeunyddiau carbon amorffaidd sy'n graffiteiddio'n hawdd o dan amodau tymheredd uchel (uwch na 2800 gradd). Mae'r deunyddiau hyn yn cynnwys traw, golosg nodwydd, golosg petrolewm, a ffibrau carbon. Oherwydd y lefel isel o graffitization mewn carbon meddal, mae ei strwythur yn cynnwys nifer o ddiffygion, gan ganiatáu iddo ddarparu ar gyfer mwy o ïonau lithiwm yn wrthdroadwy; ar yr un pryd, mae'r gofod rhyng-haenog mwy yn hyrwyddo treiddiad electrolyte. Felly, yn seiliedig ar y nodweddion hyn, mae deunyddiau carbon meddal yn arddangos cynhwysedd uchel yn ystod y gollyngiad cychwynnol. Fodd bynnag, yn union oherwydd ei ansefydlogrwydd strwythurol, mae ei allu di-droi'n-ôl hefyd yn gymharol uchel. Ar ben hynny, mae afreoleidd-dra strwythur mewnol carbon meddal yn arwain at ddosbarthiadau ynni amrywiol o safleoedd gweithredol ïon lithiwm, gan arwain at ddiffyg llwyfandir foltedd diffiniedig yn ystod gwefru a rhyddhau, sy'n cyfyngu ar ei gymwysiadau ymarferol.
Titaniwm deuocsid
Mae titaniwm deuocsid (TiO2) yn dangos potensial mawr fel deunydd electrod negyddol ar gyfer batris ïon lithiwm, nid yn unig oherwydd ei ddichonoldeb ar gyfer cynhyrchu ar raddfa fawr a chost isel, ond hefyd oherwydd ei fod yn arddangos diogelwch a sefydlogrwydd rhagorol ar foltedd gweithredu o 1.5V (o'i gymharu â Li/Li). Yn ogystal, mae gan TiO2 gyfres o briodweddau rhyfeddol: gweithgaredd electrocemegol uchel, pŵer ocsideiddio cryf, sefydlogrwydd cemegol da, adnoddau naturiol helaeth, a strwythurau crisial amrywiol.
Mae'r manteision hyn gyda'i gilydd yn gwneud TiO2 yn un o'r dewisiadau deunydd electrod negyddol delfrydol ar gyfer batris ïon lithiwm (yn enwedig ym maes cerbydau trydan hybrid).
Yn ddamcaniaethol, gall pob uned màs o TiO2 storio un ïon lithiwm, sy'n cyfateb i gynhwysedd o 330 mA·h/g, sydd bron ddwywaith cynhwysedd damcaniaethol LiTiO2. Fodd bynnag, yn ymarferol, canfuwyd ei bod yn eithaf anodd cyflawni'r capasiti storio lithiwm mwyaf damcaniaethol hwn. Mae llawer o ffactorau'n dylanwadu ar effeithlonrwydd mewnosod ac echdynnu ïon lithiwm mewn titaniwm deuocsid, gan gynnwys ond heb fod yn gyfyngedig i grisialu'r deunydd, maint gronynnau, nodweddion strwythurol mewnol, ac arwynebedd penodol. Mae'n werth nodi bod TiO2 yn bodoli mewn cyfnodau crisial amrywiol, a'r mwyaf adnabyddus yw'r mathau rutile ac anatase yn y system grisial tetragonal, a'r math brookit yn y system grisial orthorhombig.