U disignu di u futurubatterie lithium-iondeve esse capace di risponde à e dumande di i dispositi chì cunsumanu{0}altu{0}}energia-, cum'è i veiculi elettrici puri, i veiculi elettrichi ibridi di plug-, è i sistemi di almacenamentu d'energia stazionari. Per i novi materiali anodi in sviluppu, a capacità hè unu di i principali indicatori di rendiment. Basatu nantu à diversi meccanismi di reazione, certi materiali candidati cù capacità teoriche elevate includenu siliciu (Si), germanium (Ge), monossidu di siliciu (SiO), stagnu (Sn) è u so ossidu (SnOz), cù capacità tipiche chì varieghja da 783 mA·g (per SnOz) à 4211 mA·h/g (per Si). Ancu s'è questi materiali in lega presentanu vantaghji di capacità specifichi più elevati cumparatu cù u grafite tradiziunale (372 mA·bg) è u titanate di lithium (LTO, 175 mA·Ng), i cambiamenti di u voluminu è a perdita iniziale di capacità irreversibile chì subenu durante a carica è a scarica limitanu a so vita. Per superà questi prublemi, i circadori anu esploratu diverse strategie, cum'è a riduzzione di a dimensione di particella à a nanoscala è pruvà à custruisce sistemi di materiale compositu chì cuntenenu cumpunenti di litiu metallicu attivi o inattivi. Trà questi metudi, cumminendu l'oru di litiu attivu cù materiali in lega per furmà un sustrato di buffer conduttivu hà dimustratu u putenziale di migliurà u rendiment di u ciclu. Inoltre, l'impiegu di diverse morfologie di nanostrutture, cum'è nanofili o nanotubi, hà ancu dimustratu chì hè un approcciu efficace per ottene materiali anodi ideali chì combinanu una alta capacità, un bonu rendimentu di tassi è una longa vita di ciclu.
Si --materiali anodi basati in silicone
I materiali anodi basati in silicu{0} sò cumposti principarmenti di siliciu puru, ossidu di siliciu è composti di siliciu / carbone. A causa di a so alta capacità teorica, di l'amichevule ambientale è di riserve naturali abbundanti, sò largamente cunsiderate l'scelta ideale per l'anodi di batteria di lithium-ion di -generazione di alta -energia-densità-. I scientisti chinesi eranu i primi in u mondu à prupone u cuncettu di applicà u silicuu nanoscala à e batterie di lithium-ion. Data l'abbundanza di risorse di siliciu di a Cina è a capacità di produzzione leader mundiale di siliciu elementale, l'aumentu di i sforzi di ricerca è di sviluppu nantu à i materiali anodi basati in siliciu è a so applicazione in batterie di lithium -ioni hè di grande significatu per a maestria di e tecnulugia chjave di future batterie di lithium- d'altu rendiment.
Paragunatu à i materiali tradiziunali di l'anodu di grafite, u siliciu mostra una capacità specifica teorica più alta (4211 mA·h/g) è un putenziale di delithiation relativamente più bassu (0,5V). In particulare, a tensione operativa di u siliciu hè ligeramente più altu ch'è quella di grafite. A Figura 5-9 illustra l'arrangiamentu atomicu specificu in un cristalu di siliciu. Durante a carica, l'usu di silicuu cum'è l'anodu pò riduce a superficia di placcatura di litiu, migliurà cusì a sicurezza di a batteria. Inoltre, u siliciu hè abbundante è prezzu. Tuttavia, l'applicazione di silicone à l'anodi di batterie di lithium-ion presenta ancu alcune sfide. Cum'è un materiale semiconductor, u siliciu hà una conductività povira. Dopu parechji cicli di carica-scaricamentu, i cambiamenti significativi di u voluminu causati da l'inserzione è a liberazione di lithium-ioni ponu purtà à a rottura di materiale, affettendu a stabilità strutturale è potenzialmente causendu a separazione di u materiale attivu da u cullettore attuale, affettendu severamente a vita di u ciclu di a batteria. Inoltre, sta espansione di u voluminu impedisce ancu a furmazione di un filmu solidu -interfaccia elettrolitica (SED) stabile è efficace nantu à a superficia di siliciu. A dispersazione uniforme di siliciu puru o di i so cumposti in una matrice di carbone pò alleviate questi prublemi in una certa misura: da una banda, migliurà a conduttività elettronica generale di u materiale compostu; da l'altra banda, a prisenza di carbone aiuta à alleviate u stress causatu da i cambiamenti di u voluminu di siliciu, riducendu i danni à a struttura di l'elettrodu; simultaneamente, carbone pò prumove a furmazione stabile di u film SEI. Dunque, i materiali cumposti chì combinanu i vantaghji di u siliciu è u carbonu sò cunsiderati unu di i candidati ideali per l'anodu per a prossima generazione di batterie di lithium-ion d'alta densità d'energia.
SiO
In più di u siliciu, u monossidu di siliciu (SiO) hè ancu cunsideratu un materiale anodu candidatu per e batterie di lithium -ion per via di a so capacità teorica chì supera 1600 mA·h/g. Inoltre, a coordinazione di lithium-ossigenu implica cambiamenti di volumi più chjuchi è energie di attivazione più basse durante a carica è a scarica. E reazzioni elettrochimichi putenziali durante stu prucessu includenu a cunversione di SiO à Si è LiO, seguita da a furmazione di una alea di lithium di silicio - cù Li; o a furmazione diretta di una alea di siliciu-lithium è LixSiO2. Hè nutate chì SiO solidu puru hè termodinamicamente inestabile à ogni temperatura è pò dunque scumpressà in Si è SiO2 in cundizioni specifiche per via di una reazione di sproporzioni. Simile à u siliciu, SiO subisce una espansione di u voluminu significativu o cuntrazione durante l'inserzione è l'estrazione di lithium. Inoltre, SiO hà una conductività povira, chì si traduce in lenti tassi di ingressu è di uscita di lithium-. Per affruntà questi prublemi, rinfurzà a capacità reversibile, è migliurà a stabilità di u ciclu, i circadori anu esploratu diverse strategie. Frà questi, a tecnulugia di rivestimentu di carbone, a riduzzione elettrochimica di lithium in SiO, è a riduzione di a dimensione di particella SiO sò cunsiderate approcci particularmente efficaci. In particulare, quandu cumminatu cù particeddi più chjuchi è rivestimenti di carbone, a strada di diffusione di ioni di litiu pò esse accurtata in modu efficace, mentre chì migliurà l'efficienza di cunduzzione di l'elettroni è di i ioni, superendu cusì e sfide sopra citate.
GE
U germaniu hà attiratu una attenzione significativa in a ricerca di materiale di l'anodu di a bateria di lithium -ion per via di a so alta capacità di almacenamento di lithium (1623 mA·h/g) à u rapportu stechiometricu Liz2Ge5 è u so prucessu d'inserzione è estrazione di lithium reversibile. Ancu s'ellu u germaniu hè più caru di u siliciu è hà una capacità ligeramente più bassa, pussede vantaghji significativi, cum'è a conduttività 10.000 volte quella di u siliciu è una banda gap di solu 0,67 eV. I studii anu dimustratu chì a velocità di diffusione di ioni di lithium in germanium hè 15 volte più veloce chì in u siliciu à 360 gradi è 400 volte più veloce à a temperatura di l'ambienti. Queste proprietà dannu à u germaniu un eccellente rendimentu di scaricamentu di corrente elevata è più alta efficienza di trasportu di carica. Questa prestazione alta-potenza hè particularmente impurtante per l'applicazioni chì necessitanu un rendimentu elevatu di-potenza, cum'è i veiculi elettrici. In ogni modu, simili à u siliciu, u germaniu face ancu u prublema di espansione di u voluminu di finu à u 300%, chì hè diventatu un ostaculu per a so applicazione pratica in batterie di lithium-ion. Impieghendu disinni di nanostruttura cum'è nanoparticelle, nanofili, o nanotubi, l'impattu negativu di i cambiamenti di u voluminu pò esse effittivamenti mitigatu, migliurà cusì l'efficienza coulombica. Vale a pena nutà chì a preparazione di composti di sustrato conduttivu di nanoparticule di germaniu utilizendu metudi simplici cum'è a pirolisi di u statu solidu pò ottimisà ancu u rendiment elettrochimicu di l'elettrodi.
SnO2
U diossidu di stagnu (SnO2), inizialmente sviluppatu da Fujifilm, hà attiratu una grande attenzione cum'è materiale di l'elettrodu negativu per e batterie di lithium - per via di a so alta capacità teorica è di a bassa tensione operativa (circa 0.6 eV, relative à LiLi). In u prucessu di reazzione elettrochimica, hè prima sottumessu à un passu parzialmente irreversibile, induve SnO2 hè ridutta à stagnu metallicu (Sn) è ossidu di lithium (LiO); in seguitu, si faci una fase riversibile, chì implica a furmazione è a descomposizione di l'alliage di stagnu -lithium. In teoria, ogni mole di SnO2 pò reagisce cù 8,4 mol di lithium, chì currisponde à una capacità teorica di 1491 mA·h/g. In ogni casu, datu a bassa reversibilità di a reazione di riduzzione iniziale, in l'applicazioni pratiche, solu a capacità effettiva cuntribuita da u prucessu di aleazione / disligatura sussegwente -circa 783 mA·h/g- hè tipicamente cunsiderata, è stu valore hè utilizatu cum'è a capacità teorica pratica di u materiale SnO2. Inoltre, durante i cicli di carica-scaricamentu, stu materiale hè sottumessu à una espansione significativa di u voluminu (più di 200%), chì porta à una seria perdita di capacità. À questu scopu, i circadori sò dedicati à migliurà a stabilità ciclistica di SnO2 è riduce a perdita di capacità irreversibile per via di i cambiamenti di u voluminu attraversu diversi metudi.