วัสดุแอโนดชนิดโลหะผสม-

การออกแบบแห่งอนาคตแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนต้องสามารถตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์-ที่ใช้พลังงานสูง- เช่น ยานพาหนะไฟฟ้าบริสุทธิ์ - รถยนต์ไฟฟ้าไฮบริด และระบบกักเก็บพลังงานแบบอยู่กับที่ สำหรับวัสดุแอโนดชนิดใหม่ที่อยู่ระหว่างการพัฒนา กำลังการผลิตเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพหลัก ขึ้นอยู่กับกลไกการเกิดปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน วัสดุที่เลือกที่มีศักยภาพทางทฤษฎีสูงได้แก่ ซิลิคอน (Si), เจอร์เมเนียม (Ge), ซิลิคอนมอนนอกไซด์ (SiO), ดีบุก (Sn) และออกไซด์ (SnOz) โดยมีความจุโดยทั่วไปตั้งแต่ 783 mA·g (สำหรับ SnOz) ถึง 4211 mA·h/g (สำหรับ Si) แม้ว่าวัสดุโลหะผสมเหล่านี้จะแสดงข้อดีด้านกำลังการผลิตจำเพาะที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับกราไฟท์แบบดั้งเดิม (372 mA·bg) และลิเธียมไททาเนต (LTO, 175 mA·Ng) แต่ปริมาตรจะเปลี่ยนไปและการสูญเสียความจุเริ่มต้นที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการชาร์จและการคายประจุจะจำกัดอายุการใช้งาน เพื่อเอาชนะปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยได้สำรวจกลยุทธ์ต่างๆ เช่น การลดขนาดอนุภาคให้เหลือระดับนาโน และพยายามสร้างระบบวัสดุคอมโพสิตที่มีส่วนประกอบลิเธียมโลหะที่ทำงานอยู่หรือไม่ใช้งาน ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การรวมทองคำลิเธียมที่ใช้งานกับวัสดุโลหะผสมเพื่อสร้างซับสเตรตบัฟเฟอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร นอกจากนี้ การใช้สัณฐานวิทยาที่แตกต่างกันของโครงสร้างนาโน เช่น เส้นลวดนาโนหรือท่อนาโน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพในการบรรลุวัสดุแอโนดในอุดมคติที่รวมความจุสูง ประสิทธิภาพอัตราที่ดี และอายุการใช้งานที่ยาวนาน

Si--วัสดุแอโนดที่ใช้ซิลิคอน

วัสดุแอโนดที่ทำจากซิลิคอน-ส่วนใหญ่ประกอบด้วยซิลิคอนบริสุทธิ์ ซิลิคอนออกไซด์ และคอมโพสิตซิลิคอน/คาร์บอน เนื่องจากความสามารถทางทฤษฎีที่สูง ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และปริมาณสำรองทางธรรมชาติที่อุดมสมบูรณ์ จึงได้รับการพิจารณาอย่างกว้างขวางว่าเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับ-แอโนดแบตเตอรี่ไอออนลิเธียมความหนาแน่นสูง-พลังงานสูงรุ่นต่อไป- นักวิทยาศาสตร์ชาวจีนเป็นคนแรกในโลกที่เสนอแนวคิดในการใช้ซิลิคอนระดับนาโนกับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน เมื่อพิจารณาจากทรัพยากรซิลิคอนที่อุดมสมบูรณ์ของจีนและกำลังการผลิตชั้นนำระดับโลกของ-ธาตุซิลิกอน ความพยายามในการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับวัสดุแอโนดที่ทำจากซิลิคอน- และการนำไปใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการเรียนรู้เทคโนโลยีที่สำคัญของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน-สมรรถนะสูง-ในอนาคต

เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุกราไฟท์แอโนดแบบดั้งเดิม ซิลิคอนมีความจุจำเพาะทางทฤษฎีที่สูงกว่า (4211 mA·h/g) และมีศักยภาพในการแยกหินค่อนข้างต่ำ (0.5V) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แรงดันไฟฟ้าในการทำงานของซิลิคอนสูงกว่ากราไฟท์เล็กน้อย รูปที่ 5-9 แสดงให้เห็นการจัดเรียงอะตอมที่เฉพาะเจาะจงภายในผลึกซิลิคอน ในระหว่างการชาร์จ การใช้ซิลิคอนเป็นขั้วบวกสามารถลดการชุบพื้นผิวลิเธียม จึงช่วยเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ซิลิคอนยังมีอยู่มากมายและราคาไม่แพงอีกด้วย อย่างไรก็ตาม การใช้ซิลิคอนกับแอโนดของแบตเตอรี่ลิเธียม-ก็ทำให้เกิดความท้าทายเช่นกัน เนื่องจากเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิคอนจึงมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ หลังจากการคายประจุ-หลายรอบ การเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่สำคัญที่เกิดจากการแทรกและการปล่อยลิเธียม-อาจทำให้วัสดุแตกหัก ส่งผลต่อความเสถียรของโครงสร้าง และอาจทำให้เกิดการแยกวัสดุออกฤทธิ์ออกจากตัวสะสมปัจจุบัน ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ นอกจากนี้ การขยายปริมาตรนี้ยังขัดขวางการก่อตัวของฟิล์ม-ส่วนต่อประสานอิเล็กโทรไลต์สถานะของแข็ง (SED) ที่เสถียรและมีประสิทธิภาพบนพื้นผิวซิลิคอน การกระจายตัวของซิลิคอนบริสุทธิ์หรือสารประกอบของมันอย่างสม่ำเสมอภายในเมทริกซ์คาร์บอนสามารถบรรเทาปัญหาเหล่านี้ได้ในระดับหนึ่ง ในด้านหนึ่ง จะปรับปรุงการนำไฟฟ้าโดยรวมของวัสดุคอมโพสิต ในทางกลับกัน การมีอยู่ของคาร์บอนช่วยบรรเทาความเครียดที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของซิลิคอน ช่วยลดความเสียหายต่อโครงสร้างอิเล็กโทรด ในขณะเดียวกัน คาร์บอนสามารถส่งเสริมการก่อตัวฟิล์ม SEI ที่เสถียร ดังนั้น วัสดุคอมโพสิตที่รวมข้อดีของซิลิคอนและคาร์บอนเข้าด้วยกันจึงถือว่าเป็นหนึ่งในตัวเลือกแอโนดที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนความหนาแน่น-พลังงานสูง-รุ่นต่อไป

SiO

นอกจากซิลิคอนแล้ว ซิลิคอนมอนนอกไซด์ (SiO) ยังถือเป็นวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเนื่องจากมีความจุทางทฤษฎีเกิน 1600 mA·h/g นอกจากนี้ การทำงานร่วมกันของลิเธียม-ออกซิเจนยังแสดงถึงการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่น้อยลงและพลังงานในการกระตุ้นที่ลดลงระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เป็นไปได้ในระหว่างกระบวนการนี้รวมถึงการแปลง SiO เป็น Si และ LiO ตามด้วยการก่อตัวของโลหะผสมลิเธียมซิลิคอน-กับ Li; หรือการก่อตัวโดยตรงของซิลิคอน-โลหะผสมลิเธียมและ LixSiO2 เป็นที่น่าสังเกตว่า SiO ที่เป็นของแข็งบริสุทธิ์นั้นไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์ที่อุณหภูมิใดๆ ก็ตาม ดังนั้นจึงสามารถสลายตัวเป็น Si และ SiO2 ได้ภายใต้สภาวะเฉพาะผ่านปฏิกิริยาที่ไม่สมส่วน เช่นเดียวกับซิลิคอน SiO มีการขยายตัวหรือการหดตัวของปริมาตรอย่างมีนัยสำคัญในระหว่างการแทรกและการสกัดลิเธียม นอกจากนี้ SiO ยังมีการนำไฟฟ้าต่ำ ส่งผลให้ลิเธียมไอออน-อัตราการเข้าและออกช้า เพื่อแก้ไขปัญหาเหล่านี้ เพิ่มความสามารถแบบพลิกกลับได้ และปรับปรุงเสถียรภาพของวงจร นักวิจัยได้สำรวจกลยุทธ์ต่างๆ ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ เทคโนโลยีการเคลือบคาร์บอน การลดลิเธียมด้วยไฟฟ้าเคมีใน SiO และการลดขนาดอนุภาค SiO ถือเป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อรวมกับอนุภาคขนาดเล็กและการเคลือบคาร์บอน เส้นทางการแพร่กระจายของไอออนลิเธียมสามารถสั้นลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงประสิทธิภาพการนำอิเล็กตรอนและไอออน ซึ่งจะช่วยเอาชนะความท้าทายที่กล่าวมาข้างต้น

จีอี

เจอร์เมเนียมดึงดูดความสนใจอย่างมากในการวิจัยวัสดุแอโนดของแบตเตอรี่ลิเธียม- เนื่องจากมีความจุลิเธียมสูง (1623 mA·h/g) ที่อัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ Liz2Ge5 และกระบวนการแทรกและสกัดลิเธียมแบบพลิกกลับได้ แม้ว่าเจอร์เมเนียมจะมีราคาแพงกว่าซิลิคอนและมีความจุต่ำกว่าเล็กน้อย แต่ก็มีข้อได้เปรียบที่สำคัญ เช่น ค่าการนำไฟฟ้ามากกว่าซิลิคอน 10,000 เท่า และช่องว่างของแถบความถี่เพียง 0.67 eV การศึกษาพบว่าอัตราการแพร่กระจายของลิเธียมไอออนในเจอร์เมเนียมเร็วกว่าซิลิคอน 15 เท่าที่อุณหภูมิ 360 องศาและเร็วกว่า 400 เท่าที่อุณหภูมิห้อง คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เจอร์เมเนียมมีสมรรถนะการจ่ายกระแสไฟฟ้าสูง-เป็นเลิศและประสิทธิภาพการขนส่งประจุที่สูงขึ้น ประสิทธิภาพกำลังสูง-นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการกำลังขับประสิทธิภาพสูง- เช่น ยานพาหนะไฟฟ้า อย่างไรก็ตาม เช่นเดียวกับซิลิคอน เจอร์เมเนียมยังประสบปัญหาในการขยายปริมาตรได้มากถึง 300% ซึ่งกลายเป็นอุปสรรคต่อการใช้งานจริงในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน ด้วยการใช้การออกแบบโครงสร้างนาโน เช่น อนุภาคนาโน ลวดนาโน หรือท่อนาโน ผลกระทบด้านลบของการเปลี่ยนแปลงปริมาตรสามารถบรรเทาลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของคูลอมบิก เป็นที่น่าสังเกตว่าการเตรียมวัสดุผสมซับสเตรตที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของอนุภาคนาโนเจอร์เมเนียม-โดยใช้วิธีการง่ายๆ เช่น ไพโรไลซิสในสถานะของแข็ง- จะสามารถปรับประสิทธิภาพเคมีไฟฟ้าของอิเล็กโทรดให้เหมาะสมยิ่งขึ้นไปอีก

SnO2

ดีบุกไดออกไซด์ (SnO2) ซึ่งเริ่มพัฒนาโดย Fujifilm ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในฐานะวัสดุอิเล็กโทรดลบสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม- เนื่องจากมีความจุทางทฤษฎีสูงและแรงดันไฟฟ้าในการทำงานต่ำ (ประมาณ 0.6 eV สัมพันธ์กับ LiLi) ในกระบวนการปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า ขั้นแรกจะต้องผ่านขั้นตอนที่ไม่สามารถย้อนกลับได้บางส่วน โดยที่ SnO2 จะถูกรีดิวซ์เป็นดีบุกโลหะ (Sn) และลิเธียมออกไซด์ (LiO) ต่อมา ระยะที่ผันกลับได้เกิดขึ้น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการก่อตัวและการสลายตัวของโลหะผสมดีบุก-ลิเธียม ตามทฤษฎีแล้ว SnO2 แต่ละโมลสามารถทำปฏิกิริยากับลิเธียมได้ 8.4 โมล ซึ่งสอดคล้องกับความจุทางทฤษฎีที่ 1491 mA·h/g อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปฏิกิริยารีดักชันเริ่มต้นสามารถย้อนกลับได้ต่ำ ในการใช้งานจริง จึงมีเพียงกำลังการผลิตที่มีประสิทธิผลซึ่งมีส่วนสนับสนุนโดยกระบวนการอัลลอยด์/ดีอัลลอยด์ที่ตามมา-ประมาณ 783 mA·h/g- โดยทั่วไปจะได้รับการพิจารณา และค่านี้จะถูกใช้เป็นความจุทางทฤษฎีเชิงปฏิบัติของวัสดุ SnO2 นอกจากนี้ ในระหว่างรอบการคายประจุ- วัสดุนี้จะมีการขยายปริมาตรอย่างมีนัยสำคัญ (มากกว่า 200%) ส่งผลให้สูญเสียกำลังการผลิตอย่างรุนแรง ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงทุ่มเทในการปรับปรุงความเสถียรในการหมุนเวียนของ SnO2 และลดการสูญเสียความจุที่ไม่สามารถย้อนกลับได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรด้วยวิธีการต่างๆ