Lo dessenh de futurpilas d'ions de liti-deu èsser capable de respondre a las demandas dels dispositius de consomacion d'energia nauta, coma los veïculs electrics purs, los veïculs electrics ibrids, e los sistèmas d'emmagazinatge d'energia estacionaris. Per de novèls materials d'anòdes en desvolopament, la capacitat es un dels indicadors claus de performància. En foncion de diferents mecanismes de reaccion, qualques materials candidats amb de capacitats teoricas nautas incluson lo silici (Si), lo germani (Ge), lo monoxid de silici (SiO), l'estanh (Sn), e son oxid (SnOz), amb de capacitats tipicas que van de 783 mA·g (per SnOz) a 42111 m·h (per Si). E mai se aqueles materials d'aliatge mòstran d'avantatges de capacitat especifica mai nauts comparats al grafit tradicional (372 mA·bg) e al titanat de liti (LTO, 175 mA·Ng), los cambiaments de volum e la pèrda de capacitat irreversibla iniciala que patisson pendent la carga e la descarga limitan lor durada de vida. Per superar aqueles problèmas, los cercaires an explorat divèrsas estrategias, coma la reduccion de la talha de las particulas a l'escala nano e l'ensag de bastir de sistèmas de materials compausats que contenon de compausants de liti metallics actius o inactius. Demest aqueles metòdes, la combinason d'aur liti actiu amb de materials d'aliatge per formar un substrat tampon conductor a mostrat un potencial per melhorar la performància del cicle. De mai, l'emplec de morfologias diferentas de nanoestructuras, coma de nanofils o de nanotubos, s'es tanben mostrat èsser una apròcha eficaça per aténher de materials d'anòde ideals que combinan una capacitat nauta, una bona performància de velocitat, e una longa vida de cicle.
Si--Materiaus d'anòdes a basa de silici
Los materials d'anòdes a basa de silici- son subretot compausats de silici pur, d'oxid de silici e de compausats de silici/carbòni. A causa de lor nauta capacitat teorica, de lor environament e de lors resèrvas naturalas abondiuas, son largament considerats coma la causida ideala pels anòdes de batariá d'ions de liti de nauta densitat d'energia- de la generacion seguenta. Los scientifics chineses foguèron los primièrs al mond a prepausar lo concèpte d'aplicacion de silici nanoescala a de batariás d'ions de liti-. Donadas las ressorsas abondivas de silici de China e la capacitat de produccion mondiala de silici elemental, l'aumentacion dels esfòrces de recerca e desvolopament sus de materials d'anòdes a basa de silici e lor aplicacion dins de batariás d'ions de liti es de granda importància per mestrejar las tecnologias claus de futura nauta performància de liti -. pilas.
Comparat als materials tradicionals d'anòdes de grafit, lo silici mòstra una capacitat especifica teorica mai nauta (4211 mA·h/g) e un potencial de delitiacion relativament mai bas (0,5V). Notadament, la tension de foncionament del silici es leugièrament mai nauta qu'aquela del grafit. La figura 5-9 illustra l'organizacion atomica especifica dins un cristal de silici. Pendent la carga, utilizar lo silici coma anòde pòt reduire lo placatge de liti de superfícia, melhorant aital la seguretat de la batariá. De mai, lo silici es abondós e economic. Pasmens, aplicar de silici als anòdes de batariá d'ions de liti-presenta tanben qualques desfís. Coma material semiconductor, lo silici a una conductivitat marrida. Après de multiples cicles de carga-descarga, los cambiaments de volum significatius causats per l'insercion e la liberacion d'ions de liti- pòdon menar a la trencadura del material, afectant l'estabilitat estructurala e causant potencialament la separacion del material actiu del collector de corrent, impactant grèvament la vida del cicle de la batariá. De mai, aquela expansion de volum empacha tanben la formacion d'un filme d'interfàcia d'electrolit d'estat solid- estable e eficaç sus la superfícia de silici. La dispersion unifòrma del silici pur o de sos compausats dins una matriça de carbòni pòt alleujar aqueles problèmas dins una cèrta mesura: d'un costat, melhora la conductivitat electronica globala del material compausat; d'un autre costat, la preséncia de carbòni ajuda a alleujar l'estrès causat pels cambiaments de volum de silici, en redusent los damatges a l'estructura de l'electròde; a l'encòp, lo carbòni pòt promòure la formacion establa del filme SEI. Doncas, los materials compausats que combinan los avantatges del silici e del carbòni son considerats coma un dels candidats ideals per l'anòde per las batariás d'ions de liti d'energia nauta-de generacion seguenta.
SiO
En mai del silici, lo monoxid de silici (SiO) es tanben considerat coma un material d'anòde candidat per las pilas d'ions de liti- a causa de sa capacitat teorica que despassa 1600 mA·h/g. De mai, la coordinacion de liti-oxigèn implica de cambiaments de volum mai pichons e d'energias d'activacion mai bassas pendent la carga e la descarga. Las reaccions electroquimicas potencialas pendent aquel procès incluson la conversion de SiO en Si e LiO, seguida de la formacion d'un aliatge de silici-liti amb Li; o la formacion dirècta d'un aliatge de silici-liti e de LixSiO2. Es de notar que lo SiO solid pur es termodinamicament instable a quina temperatura que siá e pòt doncas se descompausar en Si e SiO2 jos de condicions especificas a travèrs una reaccion de desproporcionament. Coma lo silici, lo SiO patís una expansion o una contraccion de volum significativa pendent l'insercion e l'extraccion de liti. De mai, lo SiO a una conductivitat marrida, çò que resulta en de tausses lents d'intrada e de sortida d'ions de liti. Per abordar aqueles problèmas, melhorar la capacitat reversibla, e melhorar l'estabilitat del cicle, los cercaires an explorat divèrsas estrategias. D'entre aqueles, la tecnologia de revestiment de carbòni, la reduccion electroquimica del liti en SiO, e la reduccion de la talha de particulas de SiO son considerats coma d'apròches particularament eficaces. En particular, quand es combinat amb de particulas mai pichonas e de revestiments de carbòni, lo camin de difusion dels ions de liti pòt èsser eficaçament acorchit, del temps que melhora l'eficiéncia de conduccion d'electrons e d'ions, en superant aital los desfís susmencionats.
GE
Lo germani a atirat una atencion significativa dins la recèrca de materials d'anòdes de batariá d'ions de liti- a causa de sa nauta capacitat d'emmagazinatge de liti (1623 mA·h/g) al rapòrt estequiometric Liz2Ge5 e de son procès d'insercion e d'extraccion de liti reversible. E mai se lo germani es mai car que lo silici e a una capacitat leugièrament mai bassa, possedís d'avantatges significatius, coma una conductivitat 10 000 còps la del silici e un espaci de banda de sonque 0,67 eV. D'estudis an mostrat que lo taus de difusion dels ions de liti dins lo germani es 15 còps mai rapid que dins lo silici a 360 gras e 400 còps mai rapid a temperatura ambienta. Aquelas proprietats donan al germani una performància de descarga de corrent nauta e una eficiéncia de transpòrt de carga mai nauta. Aquesta performància de poténcia nauta-es particularament importanta per las aplicacions que demandan una sortida de poténcia de nauta-performança, coma los veïculs electrics. Pasmens, similar al silici, lo germani afronta tanben lo problèma de l'expansion de volum de fins a 300%, çò qu'es vengut un obstacle a son aplicacion practica dins las batariás d'ions de liti-. En utilizant de dessenhs de nanoestructuras coma de nanoparticulas, de nanofils o de nanotubos, l'impacte negatiu dels cambiaments de volum pòt èsser eficaçament mitigat, melhorant aital l'eficiéncia coulombica. Es de notar que la preparacion de compausats de substrat conductors de nanoparticulas de germani en utilizant de metòdes simples coma la pirolisi a l'estat solid- pòt optimizar mai la performància electroquimica dels electrodes.
SnO2
Lo dioxid d'estanh (SnO2), desvolopat d'en primièr per Fujifilm, a atirat una atencion generalizada coma material d'electrode negatiu per las batariás d'ions de liti- a causa de sa capacitat teorica nauta e de sa tension de foncionament bassa (aperaquí 0,6 eV, en rapòrt amb LiLi). Dins lo procès de reaccion electroquimica, subís d'en primièr una etapa parcialament irreversibla, ont SnO2 es redusit a estanh metallic (Sn) e oxid de liti (LiO); en seguida, se produtz una fasa reversibla, implicant la formacion e la descomposicion de l'aliatge d'estanh-liti. Teoricament, cada mol de SnO2 pòt reagir amb 8,4 mol de liti, çò que correspond a una capacitat teorica de 1491 mA·h/g. Pasmens, donada la bassa reversibilitat de la reaccion de reduccion iniciala, dins d'aplicacions practicas, sonque la capacitat eficaça contribuida pel procès d'aliatge/desaliatge seguent-aperaquí 783 mA·h/g-es tipicament considerada, e aquela valor es utilizada coma la capacitat teorica practica del material SO 2. De mai, pendent los cicles de carga-descarga, aquel material patís una expansion de volum significativa (mai de 200%), menant a una pèrda de capacitat grèva. A aquel fin, los cercaires se consacran a melhorar l'estabilitat de ciclatge de SnO2 e a reduire la pèrda de capacitat irreversibla a causa dels cambiaments de volum a travèrs de metòdes divèrses.