Materijali anode litijumske baterije i budućnost
Litijum-jonska baterija je sekundarna baterija koja se može puniti, koja se uglavnom sastoji od pet glavnih delova: pozitivne elektrode, negativne elektrode, elektrolita, separatora i strujnog kolektora.
Glavna funkcija pozitivnih i negativnih elektrodnih materijala je da litijevi joni budu slobodnije ekstrahovani/umetnuti, kako bi se ostvarila funkcija punjenja i pražnjenja.
Tokom procesa punjenja, litijum joni se ekstrahuju iz materijala pozitivne elektrode i ubacuju u odgovarajući materijal negativne elektrode kroz elektrolit. U isto vrijeme, elektroni izlaze iz pozitivne elektrode kroz vanjski krug i teku do negativne elektrode;
Kada se litijumska baterija isprazni, litijum ioni se ekstrahuju iz negativne elektrode i ponovo ugrađuju u materijal pozitivne elektrode kroz elektrolit. U isto vrijeme, elektroni teku od negativne elektrode do pozitivne elektrode kroz vanjsko kolo.
Koji je materijal anode litijumske baterije?
Materijal negativne elektrode je nosilac litijum iona i elektrona u procesu punjenja baterije, i igra ulogu skladištenja i oslobađanja energije. To je jedan od ključnih faktora koji određuju performanse litijum-jonskih baterija i održava životni vek sigurnosti električnih baterija.
Idealan materijal negativne elektrode mora imati najmanje sljedećih 7 uslova
1. Hemijski potencijal je nizak, stvarajući veliku razliku potencijala sa materijalom pozitivne elektrode, čime se dobija baterija velike snage;
2. Trebalo bi da ima veći specifični ciklus ciklusa;
3. Li+ treba lako da se ubaci i izvuče u materijal negativne elektrode, i ima visoku kulombičku efikasnost, tako da može postojati relativno stabilan napon punjenja i pražnjenja tokom procesa ekstrakcije Li+;
4. Dobra elektronska provodljivost i provodljivost jona;
5. Ima dobru stabilnost i određeni stepen kompatibilnosti sa elektrolitima;
7. Izvor materijala treba da bude bogat resursima, niske cene, jednostavan u procesu proizvodnje; sigurno, zeleno i bez zagađenja.
Anodni materijali koji ispunjavaju navedene uslove 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 litijumskih baterija u ovoj fazi.
Istraživanje i budućnost anodnih materijala za litijumske baterije
Kompozitni materijal grafen/cirkonijum hidrogen fosfat (ZrP) koristi se kao materijal negativne elektrode litijumske baterije, koji može da prevaziđe provodljivost materijala baterija.
Problemi loših električnih svojstava i ozbiljnih efekata proširenja zapremine imaju karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jake električne provodljivosti.
1. Mehanizam skladištenja litijuma grafen/ZrP kompozita
1. Ponašanje litijuma u skladištenju grafenskih materijala
Grafen ima bolje kanale za prenos elektrona i jona, što je korisno za ubrzavanje brzine punjenja i pražnjenja. Kada se grafen koristi kao materijal negativne elektrode, formula hemijske reakcije je sljedeća:
Iako grafen ima visoku brzinu difuzije Li+ i ima visok kapacitet tokom prvog procesa punjenja i pražnjenja kada se koristi kao materijal negativne elektrode za litijumske baterije, kapacitet grafena će se brzo smanjiti nakon nekoliko kompletnih ciklusa punjenja i pražnjenja i ne može se koristiti sam. Materijal anode litijumske baterije, to je zato što će grafenski materijal reagovati sa elektrolitom litijumske baterije tokom prvog punjenja i pražnjenja, a površina kontakta sa elektrolitom će postati veća tokom električnog ciklusa, što će dovesti do akumulacije slojeva, što rezultira u ireverzibilnosti i nestabilnosti. Pasivacija SEI filma, dok se pripremljeni grafen lako aglomerira i akumulira zbog lamelarne strukture, što čini njegovu kulombičku efikasnost niskom.
2. Sinergijski učinak kompozitnih materijala grafen/ZrP
Kompozit cirkonijum hidrogen fosfata i grafena ne samo da može poboljšati provodljivost baterije i poboljšati njen efekat proširenja zapremine, već ima i dobar kapacitet skladištenja litijuma i može povećati specifični kapacitet kompozitnog materijala. U poređenju sa drugim ugljeničnim materijalima, grafen ima prednosti velike specifične površine, visoke mehaničke čvrstoće i dobre električne provodljivosti. Istraživanja na SnO 2, FeSb 2 i drugim materijalima su pokazala da uvođenje grafena može efikasno poboljšati njegove elektrohemijske performanse.
2. Princip rada grafen/ZrP kompozita
Kompozitni materijal grafen/cirkonijum hidrogen fosfat priprema se solvotermalnom metodom, koja može učiniti da generisani grafen prianja na površinu cirkonijum hidrogen fosfata in situ kako bi se dobio cirkonijum hidrogen fosfat i kompozitni materijal grafena. Nakon kalcinacije, grafen može biti u cirkonijum hidrogen fosfatu. U kristalnoj rešetki se formiraju slobodna mjesta za kisik, čime se povećava broj nosilaca i defekata rešetke, te poboljšava provodljivost. Prisustvo grafena omogućava formiranje provodljive mreže između nanočestica cirkonijum hidrogen fosfata, što je korisno za poboljšanje ukupne provodljivosti materijala. Istovremeno, grafen se koristi kao fleksibilan film za oblaganje površine cirkonijum hidrogen fosfata, koji može ublažiti efekat proširenja zapremine tokom 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 cirkonijum hidrogen fosfata i grafena pripremljen ovom metodom koristi se kao materijal negativne elektrode litijumske baterije, koji može prevladati probleme loše provodljivosti baterije i ozbiljnog efekta proširenja zapremine, a ima karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jaka provodljivost;
3. Budući da grafen ima visoku provodljivost i veliku specifičnu površinu, može efikasno poboljšati provodljivost kompozitnih materijala baterija, a u isto vrijeme, premaz od grafena može učinkovito poboljšati efekat proširenja volumena kompozitnih materijala baterija i poboljšati elektrohemijske performanse od kompozitnih materijala za baterije.
