Materijali anode litij baterija i budućnost
Litij-ionska baterija je sekundarna baterija koja se može puniti, koja se uglavnom sastoji od pet glavnih dijelova: pozitivne elektrode, negativne elektrode, elektrolita, separatora i strujnog kolektora.
Glavna funkcija materijala pozitivnih i negativnih elektroda je da litijevi ioni budu slobodnije ekstrahirani/umetnuti, kako bi se ostvarila funkcija punjenja i pražnjenja.
Tijekom procesa punjenja, litijevi ioni se ekstrahiraju iz materijala pozitivne elektrode i umetnu u odgovarajući materijal negativne elektrode kroz elektrolit. Istodobno, elektroni izlaze iz pozitivne elektrode kroz vanjski krug i teku do negativne elektrode;
Kada se litijeva baterija isprazni, litijevi ioni se ekstrahiraju iz negativne elektrode i ponovno ugrađuju u materijal pozitivne elektrode kroz elektrolit. Istodobno, elektroni teku od negativne elektrode do pozitivne elektrode kroz vanjski krug.
Koji je materijal anode litijeve baterije?
Materijal negativne elektrode je nositelj litijevih iona i elektrona u procesu punjenja baterije, te igra ulogu skladištenja i oslobađanja energije. To je jedan od ključnih čimbenika koji određuju izvedbu litij-ionskih baterija i drži životnu snagu sigurnosti baterija.
Idealan materijal negativne elektrode mora imati najmanje sljedećih 7 uvjeta
1. Kemijski potencijal je nizak, stvarajući veliku razliku potencijala s materijalom pozitivne elektrode, čime se dobiva baterija velike snage;
2. Trebao bi imati veći specifični ciklus ciklusa;
3. Li+ bi trebao biti lako umetnut i ekstrahiran u materijal negativne elektrode, i ima visoku kulombičku učinkovitost, tako da može postojati relativno stabilan napon punjenja i pražnjenja tijekom procesa ekstrakcije Li+;
4. Dobra elektronska vodljivost i vodljivost iona;
5. Ima dobru stabilnost i određeni stupanj kompatibilnosti s elektrolitima;
7. Izvor materijala treba biti bogat resursima, niske cijene, jednostavan u proizvodnom procesu; sigurno, zeleno i bez zagađenja.
Anodni materijali koji zadovoljavaju navedene uvjete u osnovi trenutno ne postoje, pa je istraživanje novih anodnih materijala visoke gustoće energije, dobrih sigurnosnih performansi, niske cijene i lako dostupnih materijala postalo hitan zadatak, što je također vruća tema u polje istraživanja litij baterija u ovoj fazi.
Istraživanje i budućnost anodnih materijala za litijeve baterije
Kompozitni materijal grafen/cirkonijev hidrogen fosfat (ZrP) koristi se kao materijal negativne elektrode litijeve baterije, koji može prevladati vodljivost materijala baterije.
Problemi loših električnih svojstava i ozbiljnih učinaka proširenja volumena imaju karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jake električne vodljivosti.
1. Mehanizam skladištenja litija grafen/ZrP kompozita
1. Ponašanje grafenskih materijala pri skladištenju litija
Grafen ima bolje kanale za prijenos elektrona i iona, što je korisno za ubrzavanje brzine punjenja i pražnjenja. Kada se grafen koristi kao materijal negativne elektrode, formula kemijske reakcije je sljedeća:
Iako grafen ima visoku stopu difuzije Li+ i ima visok kapacitet tijekom prvog procesa punjenja i pražnjenja kada se koristi kao materijal negativne elektrode za litijeve baterije, kapacitet grafena će brzo propasti nakon nekoliko potpunih ciklusa punjenja i pražnjenja i ne može se koristiti sam. Materijal anode litij baterije, to je zato što će grafenski materijal reagirati s elektrolitom litij baterije tijekom prvog punjenja i pražnjenja, a površina kontakta s elektrolitom će postati veća tijekom električnog ciklusa, što će dovesti do nakupljanja slojeva, što rezultira u nepovratnosti i nestabilnosti. Pasivacija SEI filma, dok se pripremljeni grafen lako aglomerira i akumulira zbog lamelarne strukture, što čini njegovu kulombičku učinkovitost niskom.
2. Sinergijski učinak kompozitnih materijala grafen/ZrP
Kompozit cirkonijevog hidrogen fosfata i grafena ne samo da može poboljšati vodljivost baterije i poboljšati učinak proširenja volumena, već ima i dobar kapacitet pohrane litija i može povećati specifični kapacitet kompozitnog materijala. U usporedbi s drugim ugljičnim materijalima, grafen ima prednosti velike specifične površine, visoke mehaničke čvrstoće i dobre električne vodljivosti. Istraživanja na SnO 2, FeSb 2 i drugim materijalima pokazala su da uvođenje grafena može učinkovito poboljšati njegove elektrokemijske performanse.
2. Princip rada grafen/ZrP kompozita
Kompozitni materijal grafen/cirkonijev hidrogen fosfat priprema se solvotermalnom metodom, koja može učiniti da generirani grafen prianja na površinu cirkonijevog hidrogen fosfata in situ kako bi se dobio cirkonijev hidrogen fosfat i kompozitni materijal grafena. Nakon kalcinacije, grafen može biti u cirkonij hidrogen fosfatu. U kristalnoj rešetki se stvaraju slobodna mjesta za kisik, čime se povećava broj nositelja i defekata rešetke, te poboljšava vodljivost. Prisutnost grafena omogućuje stvaranje vodljive mreže između nanočestica cirkonijevog hidrogen fosfata, što je korisno za poboljšanje ukupne vodljivosti materijala. U isto vrijeme, grafen se koristi kao fleksibilni film za oblaganje površine cirkonijevog hidrogen fosfata, koji može ublažiti učinak proširenja volumena tijekom procesa punjenja i pražnjenja.
Treće, potencijalni izgledi grafen/ZrP kompozitnih materijala
1. Metoda pripreme ima karakteristike jednostavnog i lakog rada, jake ponovljivosti, niske cijene i bez zagađivanja okoliša;
2. Kompozitni materijal od cirkonijevog hidrogen fosfata i grafena pripremljen ovom metodom koristi se kao materijal negativne elektrode litijeve baterije, koji može prevladati probleme loše vodljivosti baterije i ozbiljnog učinka ekspanzije volumena, a ima karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jaka vodljivost;
3. Budući da grafen ima visoku vodljivost i veliku specifičnu površinu, može učinkovito poboljšati vodljivost kompozitnih materijala baterija, a u isto vrijeme, premaz od grafena može učinkovito poboljšati učinak proširenja volumena kompozitnih materijala baterija i poboljšati elektrokemijske performanse kompozitnih materijala za baterije.
