◆Alliéierten -Anodematerialien
◆Konversiouns-Anodenmaterialien
◆Lithium Metal Anoden Materialien
Am Opluedstatioun Prozess vunLithium-Ionbatterien, den negativen Elektrodenmaterial spillt eng entscheedend Roll beim Droen vun Lithiumionen an Elektronen, an ass essentiell fir Energielagerung a Verëffentlechung. Aus enger Käschteperspektive stellen dës Materialien 5% bis 15% vun den Total Batterie Fabrikatiounskäschte aus a ginn als ee vun den onverzichtbare Schlëssel Rohmaterialien fir Lithium-Ion Batterieproduktioun ugesinn. Wéi de positiven Elektrodenmaterial spillt dat negativ Elektrodenmaterial eng extrem wichteg Roll fir de Fortschrëtt vun der Lithium-Ion Batterie Technologie ze förderen. An de leschte Joeren, mat der Erhéijung vun der Nofro fir verbessert Batterie Leeschtung-spezifesch, d'Striewen no méi héijer Energiedicht, Kraaftdicht, a besser Zyklusstabilitéit a Sécherheet-Fuerscher hunn grouss Opmierksamkeet op dat negativ Elektrodenmaterial bezuelt, ee vun de Kärkomponente vu Lithium-Ion
Batterien. En idealt negativ Elektrodenmaterial soll déi folgend Charakteristiken hunn:
(1) Liichtgewiicht, sou vill Li wéi méiglech opzehuelen fir spezifesch Kapazitéit ze optimiséieren.
(2) Niddereg Redoxpotenzial fir Lithium-Ion-Insertioun an Extraktiounsreaktiounen, wat hëlleft eng méi héich Batterieausgangsspannung z'erreechen.
(3) Gutt elektronesch an ionesch Konduktivitéit.
(4) Onopléisbar an Elektrolytléisungsmëttel a reagéiert net mat Lithiumsalze. (5) Excellent chemesch Stabilitéit nom Opluedstatiounen an Entladung, héich Sécherheet Leeschtung an Zyklus Liewen, an niddereg Self - Offlossquantitéit Taux.
(6) Bëlleg, reichend Ressourcen, an ëmweltfrëndlech.
Anodematerialien kënnen an zwou Haaptkategorien opgedeelt ginn op Basis vun hirer chemescher Zesummesetzung: Kuelestoff-baséiert Materialien an net-Kuelestoff-baséiert Materialien. Kuelestoff -baséiert Materialien kënne weider a grafitesch Kuelestoffmaterialien an amorph Kuelestoffmaterial ënnerdeelt ginn. Net-Kuelestoff-baséiert Materialien enthalen Silizium-baséiert, Titan-baséiert a verschidde Metalloxiden. De Moment enthalen déi wäit benotzt Anodenmaterialien um Maart haaptsächlech dräi Aarte: Kuelestoff -baséiert Materialien, Lithiumtitanat (LiTisOi2), a Kuelestoffkompositmaterialien mat Silizium. Kuelestoff-baséiert Materialien kënne weider a Grafit (natierlech a kënschtlech Grafit), mëll Kuelestoff an haart Kuelestoff opgedeelt ginn. Ënnert dëse Kategorien hält kënschtlech Grafit dee gréissten Maartundeel.
Intercalated Anoden Materialien
Kuelestoff Materialien
An der Entwécklung vu Lithium-Ionbatterien, d'Innovatioun vu Kuelestoff-baséiert Materialien ze benotzen fir metallesch Lithium ze ersetzen, well d'Anode e groussen Duerchbroch an dëser Technologie markéiert. Bis haut, keng aner Zort vun Anode Material kann seng Käschten -Effektivitéit an Leeschtung Match; dofir gëtt erwaart datt Kuelestoff-baséiert Materialien déi primär Wiel fir grouss- kommerziell Uwendunge fir eng bedeitend Period bleiwen. Baséierend op de Grad vun der Grafitiséierung, Kuelestoff -baséiert Materialien, déi als Anoden benotzt ginn, kënnen an dräi Kategorien klasséiert ginn: Grafit, Soft Kuelestoff, an haart Kuelestoff. Net-Graphit Kuelestoffmaterialien weisen all d'Tendenz an d'Grafit ze transforméieren wärend der héijer-Temperaturveraarbechtung; allerdéngs sinn e puer Substanzen méi ufälleg fir dës Transformatioun a ginn als mëll Kuelestoff definéiert; wärend déi, déi schwéier sinn de Prozess ofzeschléissen, schwéier Kuelestoff genannt ginn. Typesch, mëll Kuelestoff kann aus Matière première wéi Kuel Teer oder Petrol Pech kritt ginn; am Géigesaz, haart Kuelestoff gëtt meeschtens aus Komponenten wéi Phenolharz oder Saccharose synthetiséiert. De Moment ass ee vun de meescht studéierte Fächer am Feld vu mëlle Kuelestoff Mesophase Kuelestoffmikrosphären. Béid grafitesch an net-grafitescht Kuelestoffmaterialien hunn hir eege Virdeeler an Nodeeler wann se als negativ Elektroden a Lithium-Ionbatterien benotzt ginn. Baséierend op deem, benotzen d'Fuerscher dacks verschidde Ënner-{17}}Segmenter fir d'Uewerfläch vun dëse Kuelestoffmaterialien z'änneren an ze änneren fir hir Leeschtung ze verbesseren.
Grafit, als Schichtenmaterial (Figur 5 -8), huet eng intern Struktur, besteet aus engem sechseckegen Kader vun Atomer, déi an engem sp2 Hybridzoustand arrangéiert sinn, an zwou Dimensiounen ausdehnen. Bannent all Schicht bilden Kuelestoffatome eng robust sechseckeg Gitterstruktur mat enger Kuelestoff-Kuelestoff-Distanz vun 0,142 nm an enger Bindungsenergie vun 345 kJ/mol, déi extrem staark Stabilitéit ausweist. Am Géigesaz si Kuelestoffatomer tëscht verschiddene Schichten duerch méi schwaache van der Waals Kräfte verbonnen, mat enger Interaktiounsenergie vu just 16,7 kJ/mol, entspriechend enger gemoosser interplanarer Abstand vun 0,3354 nm. Lithium-Ionen kënne reversibel Insertioun an Extraktioun tëscht de sechs Kuelestoffschichten vu Grafit ënnerhuelen, a bilden LiC6 Verbindungen fir Lithium ze späicheren. Wärend dësem Prozess ännert sech d'Interlayerabstand wesentlech; fir LiC6 gëtt dëse Wäert 0,37 nm, sou datt eng theoretesch maximal spezifesch Kapazitéit vun 372 mA · h / g erreecht gëtt. Ausserdeem erliichtert déi exzellent Konduktivitéit vum Grafit eng séier Elektronemigratioun am Material. Wéi och ëmmer, wann et als negativ Elektrodenmaterial benotzt gëtt, stellt d'Graphit och e puer Nodeeler: säi relativ nidderegen Lithium-Insertion / Extraction Volt Plateau kann zum Wuesstum vu Lithium-Dendriten wärend der Opluedstatioun oder der Entladung féieren. Wann dës Dendriten an d'Batterie-Separator penetréieren, kënne se intern Kuerzschluss verursaachen, déi potenziell zu Bränn oder souguer Explosiounen féieren, wat d'Batteriesécherheet bedroht.
Figur 5-8 Schematesch Diagramm vun GRAPHITE Layer Struktur
Graphit ass haaptsächlech an zwou Kategorien opgedeelt: natierlecht Grafit a kënschtlech Grafit. Natierlech Graphit, ofgekierzt als NG (Natierlech Grafit), bezitt sech op en héich-Kuelestoffmaterial dat aus der Natur extrahéiert an duerch einfach Veraarbechtung kritt gëtt. Et besëtzt zwou verschidde Morphologien vu Schichten Kristallstruktur: sechseckeg a rhombesch. Dëst Material ass net nëmmen reichend an Reserven, awer och niddereg an ëmweltfrëndlech. Wéi och ëmmer, a Lithium-Ion Batterie Uwendungen, wéinst der ongläicher Verdeelung vun der Uewerflächenaktivitéit a grousser Korngréisst vun natierleche Graphitpulverpartikelen, gëtt seng Uewerflächkristallstruktur liicht beschiedegt wärend der Ladung-Entladungszyklen, wat zu ongläiche SEI Filmofdeckung féiert an déi initial coulombesch Effizienz an Tauxleistung vun der Batterie beaflosst. Fir dës Erausfuerderungen ze iwwerwannen, hunn d'Fuerscher verschidden Techniken entwéckelt fir d'Eegeschafte vum natierleche Grafit ze verbesseren, sou wéi Sphäroidiséierung, Oxidatiounsflächebehandlung, Fluoréierung an Uewerflächekuelebeschichtung, fir seng Uewerflächeeigenschaften a Mikrostruktur ze optimiséieren.
Kënschtlech GRAPHITE kann duerch héich -Temperatur graphitization vun liicht graphitized Kuelestoff Material produzéiert ginn. Dës Zort Material gëtt wäit benotzt als Anodematerial a Lithium-Ionbatterien. Am Verglach zum natierleche Graphit weist kënschtlech Grafit bedeitend Virdeeler a punkto laang Zyklusliewen, héijer -Temperaturspäicherkapazitéit, an héich -Rateleistung, wat et zu engem vun de bevorzugten Anodenmaterialien fir Lithium-Ionbatterien mécht, déi an neien Energieautoen a China benotzt ginn. Wéinst senger grousser spezifescher Kapazitéit a relativ niddrege Käschte gëtt kënschtlech Grafit och wäit a Kraaftbatterien a Mëttel--bis-Héich-Verbraucherelektronikprodukter benotzt. Statistike weisen datt am Joer 2021 kënschtlech Grafit 84% vun allen Anodematerial Sendungen ausgemaach huet.
Net-Grafit Kuelestoffmaterialien ginn haaptsächlech an zwou Kategorien opgedeelt: haart Kuelestoff a mëll Kuelestoff. Hard Kuelestoff bezitt sech op eng Aart vu Kuelestoff, déi schwéier ass an eng Grafitstruktur ze transforméieren och bei extrem héijen Temperaturen (iwwer 2800 Grad). Dës Materialien ginn normalerweis duerch Pyrolyséiere vu bestëmmte Polymere kritt. Besonnesch allgemeng Quelle vun haarde Kuelestoff enthalen verschidde Harzkuelestoffe (wéi phenolesch Harz, Polyfurfurylalkoholharz PFA -C, an Epoxyharz), Kuelestoff geformt duerch d'Pyrolyse vu spezifesche Polymeren (wéi Polyvinylalkohol (PVA), Polyvinylidenfluorid (PVDF), a PolyANPacrylonitricarbon Produkter, wéi Acrylonitricarbon (Schwaarz) a Acrylonitricarbon Produkter). Wärend dem Virbereedungsprozess ginn eng grouss Zuel vu Gitterdefekte am haarde Kuelestoff geformt, wat Lithiumionen erlaabt net nëmmen tëscht Kuelestoffschichten ze interkaléieren, awer och dës Defektregioune ze fëllen, sou datt Anoden aus dësem Material eng héich spezifesch Kapazitéit ginn (tëscht 350 an 500 mA·b/g), wat ganz gutt ass fir d'Gesamtkapazitéit vun der Batterie ze verbesseren{9}. Wéi och ëmmer, déi uewe genannte Gitterfehler féieren och zu enger gerénger initialer coulombescher Effizienz a schlechter Zyklusstabilitéit wann hart Kuelestoff als Anodematerial benotzt gëtt. Bis haut, wéinst dëse Probleemer, ass haart Kuelestoff net wäit a kommerziell produzéiert Lithium-Ionbatterien benotzt ginn, an et sinn nach ëmmer e puer Hindernisser ier et op grousser Skala benotzt ka ginn.
Soft Kuelestoff bezitt sech op amorph Kuelestoffmaterialien déi liicht grafitiséieren ënner héije -Temperaturbedéngungen (iwwer 2800 Grad). Dës Materialien enthalen Pech, Nadel Kock, Petrol Kock, a Kuelestofffaser. Wéinst dem nidderegen Niveau vun der Grafitiséierung am mëllen Kuelestoff enthält seng Struktur vill Mängel, wat et erlaabt méi Lithium-Ionen reversibel z'empfänken; gläichzäiteg, de gréissere interlayer Abstand fördert electrolyte Pénétratioun. Dofir, baséiert op dëse Charakteristiken, weisen mëll Kuelestoffmaterialien héich Kapazitéit wärend der initialer Entladung. Wéi och ëmmer, genee wéinst senger struktureller Onstabilitéit ass seng irreversibel Kapazitéit och relativ héich. Ausserdeem féiert d'Onregelméissegkeet vun der interner Struktur vu mëlle Kuelestoff zu variéierende Energieverdeelunge vu Lithium-ionaktive Siten, wat zu engem Manktem un engem definéierte Spannungsplateau während der Ladung an der Entladung resultéiert, wat seng praktesch Uwendungen limitéiert.
Titandioxid
Titandioxid (TiO2) weist e grousst Potenzial als negativ Elektrodenmaterial fir Lithium-Ionbatterien, net nëmme wéinst senger Machbarkeet fir grouss -Skala Produktioun a niddrege Käschten, awer och well et exzellent Sécherheet a Stabilitéit bei enger Betribsspannung vun 1,5V (relativ zu Li/Li) weist. Zousätzlech huet TiO2 eng Serie vu bemierkenswäerte Properties: héich elektrochemesch Aktivitéit, staark Oxidatiounskraaft, gutt chemesch Stabilitéit, vill natierlech Ressourcen, a verschidde Kristallstrukturen.
Dës Virdeeler zesumme maachen TiO2 zu enger vun den idealen negativen Elektrodenmaterialwahlen fir Lithium-Ionbatterien (besonnesch am Beräich vun Hybrid elektresch Gefierer).
Theoretesch kann all Eenheetmass vun TiO2 ee Lithium-Ion späicheren, entspriechend enger Kapazitéit vun 330 mA·h/g, wat bal zweemol d'theoretesch Kapazitéit vu LiTiO2 ass. Wéi och ëmmer, an der Praxis ass et fonnt ginn datt dës theoretesch maximal Lithiumspäicherskapazitéit zimmlech schwéier ass. Vill Faktoren beaflossen d'Lithium-Ion-Insertioun an d'Extraktiounseffizienz am Titandioxid, dorënner awer net limitéiert op d'Kristallinitéit vum Material, Partikelgréisst, intern strukturell Charakteristiken a spezifesch Uewerfläch. Et ass derwäert ze notéieren datt TiO2 a verschiddene Kristallphasen existéiert, déi bekanntst sinn d'Rutil- an Anatasarten am tetragonale Kristallsystem, an de Brookit-Typ am orthorhombesche Kristallsystem.