Материали за аноди на литиева батерия и бъдещето
Литиево-йонната батерия е акумулаторна вторична батерия, която се състои главно от пет основни части: положителен електрод, отрицателен електрод, електролит, сепаратор и колектор на ток.
Основната функция на положителните и отрицателните електродни материали е да направят литиеви йони по-свободно извлечени/вмъкнати, така че да се реализира функцията на зареждане и разреждане.
По време на процеса на зареждане литиевите йони се извличат от материала на положителния електрод и се вкарват в съответния отрицателен електроден материал през електролита. В същото време електроните изтичат от положителния електрод през външната верига и се стичат към отрицателния електрод;
Когато литиевата батерия се разреди, литиевите йони се извличат от отрицателния електрод и се вграждат отново в материала на положителния електрод през електролита. В същото време електроните протичат от отрицателния електрод към положителния електрод през външната верига.
Какъв е анодният материал на литиевата батерия?
Материалът на отрицателния електрод е носител на литиеви йони и електрони в процеса на зареждане на батерията и играе ролята на съхранение и освобождаване на енергия. Това е един от ключовите фактори, които определят производителността на литиево-йонните батерии и поддържат жизнената сила на безопасността на захранващите батерии.
Идеалният материал на отрицателния електрод трябва да има поне следните 7 условия
1. Химическият потенциал е нисък, образувайки голяма потенциална разлика с материала на положителния електрод, като по този начин се получава батерия с висока мощност;
2. Трябва да има по-висок специфичен цикъл на капацитет;
3. Li+ трябва лесно да се вмъква и извлича в материала на отрицателния електрод и да има висока кулонова ефективност, така че да може да има относително стабилно напрежение на зареждане и разряд по време на процеса на извличане на Li+;
4. Добра електронна проводимост и йонна проводимост;
5. Има добра стабилност и известна степен на съвместимост с електролити;
7. Източникът на материали трябва да е богат на ресурси, ниска цена, прост в производствения процес; безопасно, зелено и без замърсяване.
Анодни материали, които отговарят на горните условия, по принцип не съществуват в момента, така че изследванията на нови анодни материали с висока енергийна плътност, добри показатели за безопасност, ниска цена и лесно достъпни материали се превърнаха в спешна задача, която също е гореща тема в областта на изследванията на литиеви батерии на този етап.
Проучване и бъдеще на анодни материали за литиеви батерии
Композитният материал от графен/циркониев водород фосфат (ZrP) се използва като материал за отрицателен електрод на литиевата батерия, който може да преодолее проводимостта на материалите на батерията.
Проблемите с лошите електрически свойства и сериозните ефекти на разширяване на обема имат характеристиките на силна стабилност на цикъла и силна електрическа проводимост.
1. Механизъм за съхранение на литий на композити графен/ZrP
1. Поведение при съхранение на литий на графеновите материали
Графенът има по-добри канали за предаване на електрони и йони, което е полезно за ускоряване на заряда и скоростта на разреждане. Когато графенът се използва като материал за отрицателен електрод, формулата на химичната реакция е както следва:
Въпреки че графенът има висока скорост на дифузия на Li+ и има висок капацитет по време на първия процес на зареждане и разреждане, когато се използва като материал за отрицателен електрод за литиеви батерии, капацитетът на графена бързо ще намалее след няколко пълни цикъла на зареждане и разреждане и не може да се използва самостоятелно. Аноден материал на литиевата батерия, това е така, защото графеновият материал ще реагира с електролита на литиевата батерия по време на първото зареждане и разреждане, а контактната повърхност с електролита ще стане по-голяма по време на електрическия цикъл, което ще доведе до натрупване на слоеве, в резултат в необратимост и нестабилност. Пасивиране на SEI филма, докато приготвеният графен е лесен за агломериране и натрупване поради ламеларната структура, което прави кулоновската му ефективност ниска.
2. Синергичен ефект на графен/ZrP композитни материали
Композитът от циркониев хидрогенфосфат и графен може не само да подобри проводимостта на батерията и да подобри нейния ефект на разширяване на обема, но също така има добър капацитет за съхранение на литий и може да увеличи специфичния капацитет на композитния материал. В сравнение с други въглеродни материали, графенът има предимствата на голяма специфична повърхност, висока механична якост и добра електрическа проводимост. Изследванията върху SnO 2, FeSb 2 и други материали показват, че въвеждането на графен може ефективно да подобри електрохимичните му характеристики.
2. Принцип на работа на композита графен/ZrP
Композитният материал графен/циркониев хидроген фосфат се приготвя чрез солвотермален метод, който може да накара генерирания графен да прилепне към повърхността на циркониев хидроген фосфат in situ, за да се получи циркониев хидроген фосфат и композитен материал от графен. След калциниране графенът може да бъде в циркониевия хидроген фосфат. В кристалната решетка се образуват кислородни свободни места, като по този начин се увеличава броят на носителите и дефектите на решетката и се подобрява проводимостта. Наличието на графен позволява образуването на проводяща мрежа между наночастиците на циркониевия хидроген фосфат, което е от полза за подобряване на общата проводимост на материала. В същото време графенът се използва като гъвкав филм за покриване на повърхността на циркониевия хидроген фосфат, който може да буферира ефекта на разширяване на обема по време на процеса на зареждане и разреждане.
Трето, потенциалните перспективи на графен / ZrP композитни материали
1. Методът на приготвяне има характеристиките на проста и лесна работа, силна възпроизводимост, ниска цена и липса на замърсяване на околната среда;
2. Композитният материал от циркониев хидроген фосфат и графен, приготвен по този метод, се използва като отрицателен електроден материал на литиевата батерия, който може да преодолее проблемите на лошата проводимост на батерията и сериозен ефект на разширяване на обема и има характеристиките на силна стабилност на цикъла и силна проводимост;
3. Тъй като графенът има висока проводимост и голяма специфична повърхност, той може ефективно да подобри проводимостта на композитните материали на батерията и в същото време покритието от графен може ефективно да подобри ефекта на разширяване на обема на композитните материали на батерията и да подобри електрохимичните характеристики от композитни материали за батерии.
