Ang disenyo ng hinaharapmga baterya ng lithium-ionkailangang matugunan ang mga hinihingi ng mataas na-enerhiya-mga device, gaya ng purong electric vehicle, plug-in hybrid electric vehicle, at stationary energy storage system. Para sa mga bagong materyal na anode sa ilalim ng pagbuo, ang kapasidad ay isa sa mga pangunahing tagapagpahiwatig ng pagganap. Batay sa iba't ibang mekanismo ng reaksyon, ang ilang kandidatong materyales na may mataas na teoretikal na kapasidad ay kinabibilangan ng silicon (Si), germanium (Ge), silicon monoxide (SiO), tin (Sn), at ang oxide nito (SnOz), na may mga tipikal na kapasidad mula 783 mA·g (para sa SnOz) hanggang 4211 mA·h/g (para sa Si). Bagama't ang mga materyales na ito ng haluang metal ay nagpapakita ng mas mataas na tiyak na mga pakinabang ng kapasidad kumpara sa tradisyonal na graphite (372 mA·bg) at lithium titanate (LTO, 175 mA·Ng), ang mga pagbabago sa volume at inisyal na hindi maibabalik na pagkawala ng kapasidad na kanilang nararanasan sa panahon ng pagsingil at paglabas ay nililimitahan ang kanilang habang-buhay. Upang malampasan ang mga problemang ito, sinaliksik ng mga mananaliksik ang iba't ibang mga diskarte, tulad ng pagbabawas ng laki ng butil sa nanoscale at pagtatangka na bumuo ng mga composite material system na naglalaman ng aktibo o hindi aktibong mga bahagi ng metal na lithium. Kabilang sa mga pamamaraang ito, ang pagsasama-sama ng aktibong lithium gold sa mga materyales ng haluang metal upang bumuo ng isang conductive buffer substrate ay nagpakita ng potensyal sa pagpapabuti ng pagganap ng cycle. Higit pa rito, ang paggamit ng iba't ibang mga morpolohiya ng mga nanostructure, tulad ng mga nanowires o nanotubes, ay napatunayan din na isang epektibong diskarte sa pagkamit ng mga ideal na materyales sa anode na pinagsasama ang mataas na kapasidad, mahusay na pagganap ng rate, at mahabang cycle ng buhay.
Si--Silicon-based na anode materials
Ang silicone-based anode na materyales ay pangunahing binubuo ng purong silicon, silicon oxide, at silicon/carbon composites. Dahil sa kanilang mataas na teoretikal na kapasidad, pagiging magiliw sa kapaligiran, at masaganang likas na reserba, malawak na itinuturing ang mga ito na perpektong pagpipilian para sa susunod na-generation high-energy-density lithium-ion na anode ng baterya. Ang mga Chinese scientist ang una sa mundo na nagmungkahi ng konsepto ng paglalapat ng nanoscale silicon sa mga lithium-ion na baterya. Dahil sa masaganang mapagkukunan ng silicon ng China at-nangungunang kapasidad sa produksyon ng elemental na silicon sa mundo, ang pagtaas ng mga pagsisikap sa pananaliksik at pag-develop sa-mga materyal na anode na nakabatay sa silicon at ang kanilang aplikasyon sa mga baterya.ion ay may malaking kahalagahan para sa pag-master ng mga pangunahing teknolohiya ng mataas{12}}performance na lithium batter-ion sa hinaharap.
Kung ikukumpara sa tradisyunal na graphite anode na materyales, ang silikon ay nagpapakita ng mas mataas na teoretikal na tiyak na kapasidad (4211 mA·h/g) at medyo mas mababang delithiation potential (0.5V). Kapansin-pansin, ang operating boltahe ng silikon ay bahagyang mas mataas kaysa sa graphite. Ang Figure 5-9 ay naglalarawan ng partikular na atomic arrangement sa loob ng isang silicon na kristal. Sa panahon ng pagcha-charge, ang paggamit ng silicon bilang anode ay maaaring mabawasan ang ibabaw ng lithium plating, at sa gayon ay mapabuti ang kaligtasan ng baterya. Higit pa rito, ang silikon ay sagana at mura. Gayunpaman, ang paglalapat ng silicon sa lithium{11}}ion na anode ng baterya ay nagpapakita rin ng ilang hamon. Bilang isang materyal na semiconductor, ang silikon ay may mahinang kondaktibiti. Pagkatapos ng maramihang pag-charge-cycle ng pag-discharge, ang malaking pagbabago sa volume na dulot ng lithium-ion insertion at release ay maaaring humantong sa pagkasira ng materyal, na nakakaapekto sa structural stability at posibleng magdulot ng paghihiwalay ng aktibong materyal mula sa kasalukuyang collector, na lubhang nakakaapekto sa cycle ng buhay ng baterya. Higit pa rito, ang pagpapalawak ng volume na ito ay humahadlang din sa pagbuo ng isang matatag at epektibong solid{17}}state electrolyte interface (SED) film sa ibabaw ng silicon. Ang pare-parehong pagpapakalat ng purong silikon o mga compound nito sa loob ng isang carbon matrix ay maaaring magpakalma sa mga problemang ito sa ilang lawak: sa isang banda, pinapabuti nito ang pangkalahatang elektronikong kondaktibiti ng pinagsama-samang materyal; sa kabilang banda, ang pagkakaroon ng carbon ay nakakatulong na mapawi ang stress na dulot ng mga pagbabago sa dami ng silikon, na binabawasan ang pinsala sa istraktura ng elektrod; sabay-sabay, ang carbon ay maaaring magsulong ng matatag na pagbuo ng SEI film. Samakatuwid, ang mga composite na materyales na pinagsasama-sama ang mga pakinabang ng silicon at carbon ay itinuturing na isa sa mga mainam na kandidato ng anode para sa susunod na-generation high-energy-density lithium-ion na baterya.
SiO
Bukod sa silicon, ang silicon monoxide (SiO) ay itinuturing ding kandidatong materyal na anode para sa mga baterya ng lithium-ion dahil sa teoretikal na kapasidad nito na lampas sa 1600 mA·h/g. Higit pa rito, ang lithium-oxygen coordination ay nagpapahiwatig ng mas maliliit na pagbabago sa volume at mas mababang activation energies sa panahon ng charge at discharge. Ang mga potensyal na electrochemical reaction sa panahon ng prosesong ito ay kinabibilangan ng conversion ng SiO sa Si at LiO, na sinusundan ng pagbuo ng isang silicon-lithium alloy na may Li; o ang direktang pagbuo ng silicon-lithium alloy at LixSiO2. Kapansin-pansin na ang purong solidong SiO ay thermodynamically hindi matatag sa anumang temperatura at samakatuwid ay maaaring mabulok sa Si at SiO2 sa ilalim ng mga partikular na kondisyon sa pamamagitan ng isang disproportionation reaction. Katulad ng silicon, ang SiO ay sumasailalim sa makabuluhang pagpapalawak o pag-urong ng volume sa panahon ng pagpasok at pagkuha ng lithium. Bilang karagdagan, ang SiO ay may mahinang conductivity, na nagreresulta sa mabagal na lithium{11}}ion na pagpasok at mga rate ng paglabas. Upang matugunan ang mga isyung ito, mapahusay ang nababaligtad na kapasidad, at mapabuti ang katatagan ng ikot, ang mga mananaliksik ay nag-explore ng iba't ibang estratehiya. Kabilang sa mga ito, ang teknolohiya ng carbon coating, electrochemical reduction ng lithium sa SiO, at pagbabawas ng laki ng particle ng SiO ay itinuturing na partikular na epektibong mga diskarte. Sa partikular, kapag pinagsama sa mas maliliit na particle at carbon coatings, ang diffusion path ng mga lithium ions ay maaaring epektibong paikliin, habang pinapabuti ang kahusayan ng electron at ion conduction, at sa gayon ay nalalampasan ang mga nabanggit na hamon.
GE
Nakakuha ng malaking atensyon ang Germanium sa pananaliksik ng materyal na anode ng baterya ng lithium-ion dahil sa mataas na kapasidad ng pag-iimbak ng lithium nito (1623 mA·h/g) sa stoichiometric ratio ng Liz2Ge5 at ang reversible na proseso ng pagpasok at pagkuha ng lithium nito. Bagama't mas mahal ang germanium kaysa sa silikon at may bahagyang mas mababang kapasidad, nagtataglay ito ng mga makabuluhang pakinabang, tulad ng conductivity na 10,000 beses kaysa sa silikon at isang band gap na 0.67 eV lamang. Ipinakita ng mga pag-aaral na ang diffusion rate ng lithium ions sa germanium ay 15 beses na mas mabilis kaysa sa silicon sa 360℃at 400 beses na mas mabilis sa room temperature. Ang mga katangiang ito ay nagbibigay sa germanium ng mahusay na mataas-kasalukuyang pagganap ng discharge at mas mataas na kahusayan sa transportasyon ng singil. Ang mataas na{15}}power performance na ito ay partikular na mahalaga para sa mga application na nangangailangan ng mataas{16}}performance na power output, gaya ng mga de-kuryenteng sasakyan. Gayunpaman, katulad ng silicon, nahaharap din ang germanium sa problema ng pagpapalawak ng volume na hanggang 300%, na naging hadlang sa praktikal na paggamit nito sa mga baterya ng lithium{19}}ion. Sa pamamagitan ng paggamit ng mga disenyo ng nanostructure tulad ng mga nanoparticle, nanowires, o nanotubes, ang negatibong epekto ng mga pagbabago sa volume ay maaaring epektibong mabawasan, at sa gayon ay mapapabuti ang coulombic na kahusayan. Kapansin-pansin na ang paghahanda ng germanium nanoparticle-conductive substrate composites gamit ang mga simpleng pamamaraan gaya ng solid-state pyrolysis ay maaaring higit pang ma-optimize ang electrochemical performance ng mga electrodes.
SnO2
Ang tin dioxide (SnO2), na unang ginawa ng Fujifilm, ay nakakuha ng malawakang atensyon bilang isang negatibong electrode material para sa lithium-ion na mga baterya dahil sa mataas na teoretikal na kapasidad nito at mababang operating voltage (humigit-kumulang 0.6 eV, na may kaugnayan sa LiLi). Sa proseso ng electrochemical reaction, ito ay unang sumasailalim sa isang bahagyang hindi maibabalik na hakbang, kung saan ang SnO2 ay nabawasan sa metal na lata (Sn) at lithium oxide (LiO); pagkatapos, isang nababaligtad na yugto ang nagaganap, na kinasasangkutan ng pagbuo at pagkabulok ng tin-lithium alloy. Sa teorya, ang bawat nunal ng SnO2 ay maaaring tumugon sa 8.4 mol ng lithium, na tumutugma sa isang teoretikal na kapasidad na 1491 mA·h/g. Gayunpaman, dahil sa mababang reversibility ng paunang reduction reaction, sa mga praktikal na aplikasyon, tanging ang epektibong kapasidad na naiambag ng kasunod na proseso ng alloying/dealloying-humigit-kumulang 783 mA·h/g-ang karaniwang isinasaalang-alang, at ang halagang ito ay ginagamit bilang praktikal na teoretikal na kapasidad ng materyal na SnO2. Higit pa rito, sa panahon ng mga cycle ng pag-charge-, ang materyal na ito ay sumasailalim sa makabuluhang pagpapalawak ng volume (mahigit 200%), na humahantong sa matinding pagkawala ng kapasidad. Sa layuning ito, nakatuon ang mga mananaliksik sa pagpapabuti ng katatagan ng pagbibisikleta ng SnO2 at pagbabawas ng hindi maibabalik na pagkawala ng kapasidad dahil sa mga pagbabago sa dami sa pamamagitan ng iba't ibang pamamaraan.