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 kolektora struje.
Glavna funkcija materijala pozitivnih i negativnih elektroda je da se litijum joni slobodnije ekstrahuju / ubacuju, 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 vreme, elektroni izlaze iz pozitivne elektrode kroz spoljašnje kolo i teku do negativne elektrode;
Kada se litijumska baterija isprazni, litijum joni se ekstrahuju iz negativne elektrode i ponovo ugrađuju u materijal pozitivne elektrode kroz elektrolit. Istovremeno, elektroni teku od negativne elektrode do pozitivne elektrode kroz spoljašnje kolo.
Koji je materijal anode litijumske baterije?
Materijal negativne elektrode je nosilac litijum jona 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 održavaju životnu snagu sigurnosti baterija.
Idealan materijal negativne elektrode mora imati najmanje sledećih 7 uslova
1. Hemijski potencijal je nizak, formirajući 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; bezbedno, zeleno i bez zagađenja.
Anodni materijali koji ispunjavaju navedene uslove u osnovi trenutno ne postoje, pa je istraživanje novih anodnih materijala visoke gustine energije, dobrih bezbednosnih performansi, niske cene i lako dostupnih materijala postalo hitan zadatak, što je takođe aktuelna tema u polje istraživanja litijumskih baterija u ovoj fazi.
Istraživanje i budućnost anodnih materijala za litijumske baterije
Kompozitni materijal grafen / cirkonijum vodonik fosfat (ZrP) se koristi kao materijal negativne elektrode litijumske baterije, koji može da prevaziđe provodljivost materijala baterije.
Problemi loših električnih svojstava i ozbiljnih efekata proširenja zapremine imaju karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jake električne provodljivosti.
1. Mehanizam skladištenja litijuma kompozita grafen/ZrP
1. Ponašanje materijala grafena u skladištenju litijuma
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 sledeća:
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 brzo opasti 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 nepovratnosti i nestabilnosti. Pasivacija SEI filma, dok se pripremljeni grafen lako aglomerira i akumulira zbog lamelarne strukture, što čini njegovu kulombičku efikasnost niskom.
2. Sinergijski efekat 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 kompozita grafen/ZrP
Kompozitni materijal grafen / cirkonijum hidrogen fosfat se priprema solvotermalnom metodom, koja može učiniti da se generisani grafen prilepi na površinu cirkonijum hidrogen fosfata in situ da 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 mesta za kiseonik, čime se povećava broj nosača i defekata rešetke i poboljšava provodljivost. Prisustvo grafena omogućava formiranje provodne mreže između nanočestica cirkonijum hidrogen fosfata, što je korisno za poboljšanje ukupne provodljivosti materijala. U isto vreme, grafen se koristi kao fleksibilni film za oblaganje površine cirkonijum hidrogen fosfata, koji može da ublaži efekat proširenja zapremine tokom procesa punjenja i pražnjenja.
Treće, potencijalni izgledi kompozitnih materijala grafen/ZrP
1. Metoda pripreme ima karakteristike jednostavnog i lakog rada, jake ponovljivosti, niske cene i bez zagađenja životne sredine;
2. Kompozitni materijal cirkonijum hidrogen fosfata i grafena pripremljen ovom metodom koristi se kao materijal negativne elektrode litijumske baterije, koji može prevazići probleme loše provodljivosti baterije i ozbiljnog efekta proširenja zapremine, i ima karakteristike jake stabilnosti ciklusa i jaka provodljivost;
3. Pošto grafen ima visoku provodljivost i veliku specifičnu površinu, može efikasno poboljšati provodljivost kompozitnih materijala baterija, au isto vreme, premaz od grafena može efikasno poboljšati efekat proširenja zapremine kompozitnih materijala baterija i poboljšati elektrohemijske performanse od kompozitnih materijala za baterije.
