Materiali anodici per batterie al litio e futuro
La batteria agli ioni di litio è una batteria secondaria ricaricabile, composta principalmente da cinque parti principali: elettrodo positivo, elettrodo negativo, elettrolita, separatore e collettore di corrente.
La funzione principale dei materiali degli elettrodi positivi e negativi è quella di rendere gli ioni di litio estratti/inseriti più liberamente, in modo da realizzare la funzione di carica e scarica.
Durante il processo di carica, gli ioni di litio vengono estratti dal materiale dell'elettrodo positivo e inseriti nel corrispondente materiale dell'elettrodo negativo attraverso l'elettrolita. Allo stesso tempo, gli elettroni fuoriescono dall'elettrodo positivo attraverso il circuito esterno e fluiscono verso l'elettrodo negativo;
Quando una batteria al litio viene scaricata, gli ioni di litio vengono estratti dall'elettrodo negativo e re-incorporati nel materiale dell'elettrodo positivo attraverso l'elettrolita. Allo stesso tempo, gli elettroni fluiscono dall'elettrodo negativo all'elettrodo positivo attraverso il circuito esterno.
Qual è il materiale dell'anodo della batteria al litio?
Il materiale dell'elettrodo negativo è il vettore di ioni di litio ed elettroni nel processo di carica della batteria e svolge il ruolo di immagazzinamento e rilascio di energia. È uno dei fattori chiave che determinano le prestazioni delle batterie agli ioni di litio e contiene la linfa vitale della sicurezza della batteria di alimentazione.
Il materiale dell'elettrodo negativo ideale deve avere almeno le seguenti 7 condizioni
1. Il potenziale chimico è basso, formando una grande differenza di potenziale con il materiale dell'elettrodo positivo, ottenendo così una batteria ad alta potenza;
2. Dovrebbe avere una capacità di ciclo specifico più elevata;
3. Li+ dovrebbe essere facilmente inserito ed estratto nel materiale dell'elettrodo negativo e ha un'elevata efficienza coulombiana, in modo che possa esserci una tensione di carica e scarica relativamente stabile durante il processo di estrazione del Li+;
4. Buona conducibilità elettronica e conduttività ionica;
5. Ha una buona stabilità e un certo grado di compatibilità con gli elettroliti;
7. La fonte dei materiali dovrebbe essere ricca di risorse, a basso prezzo, semplice nel processo di fabbricazione; sicuro, verde e senza inquinamento.
I materiali anodici che soddisfano le condizioni di cui sopra fondamentalmente non esistono attualmente, quindi la ricerca di nuovi materiali anodici con alta densità di energia, buone prestazioni di sicurezza, prezzo basso e materiali facilmente disponibili è diventata un compito urgente, che è anche un argomento caldo in il campo della ricerca sulle batterie al litio in questa fase.
Esplorazione e futuro dei materiali anodici per batterie al litio
Il materiale composito grafene/zirconio idrogeno fosfato (ZrP) viene utilizzato come materiale dell'elettrodo negativo della batteria al litio, che può superare la conduttività dei materiali della batteria.
I problemi di scarse proprietà elettriche e gravi effetti di espansione del volume hanno le caratteristiche di una forte stabilità del ciclo e di una forte conduttività elettrica.
1. Meccanismo di stoccaggio del litio dei compositi grafene/ZrP
1. Comportamento di stoccaggio del litio dei materiali in grafene
Il grafene ha canali di trasmissione di elettroni e ioni migliori, il che è utile per accelerare la velocità di carica e scarica. Quando il grafene viene utilizzato come materiale per elettrodi negativi, la formula della reazione chimica è la seguente:
Sebbene il grafene abbia un'elevata velocità di diffusione del Li+ e abbia un'elevata capacità durante il primo processo di carica e scarica quando viene utilizzato come materiale per elettrodi negativi per batterie al litio, la capacità del grafene decadrà rapidamente dopo diversi cicli completi di carica e scarica e non può essere utilizzato da solo. Materiale dell'anodo della batteria al litio, questo perché il materiale del grafene reagirà con l'elettrolita della batteria al litio durante la prima carica e scarica e la superficie di contatto con l'elettrolita diventerà più grande durante il ciclo elettrico, il che porterà all'accumulo di strati, con conseguente nell'irreversibilità e nell'instabilità. Passivazione del film SEI, mentre il grafene preparato è facile da agglomerare e accumulare grazie alla struttura lamellare, che ne rende bassa l'efficienza coulombiana.
2. Effetto sinergico dei materiali compositi grafene/ZrP
Il composto di zirconio idrogeno fosfato e grafene non solo può migliorare la conduttività della batteria e migliorare il suo effetto di espansione del volume, ma ha anche una buona capacità di stoccaggio del litio e può aumentare la capacità specifica del materiale composito. Rispetto ad altri materiali in carbonio, il grafene presenta i vantaggi di un'ampia superficie specifica, un'elevata resistenza meccanica e una buona conduttività elettrica. La ricerca su SnO 2, FeSb 2 e altri materiali ha dimostrato che l'introduzione del grafene può migliorare efficacemente le sue prestazioni elettrochimiche.
2. Principio di funzionamento del composto grafene/ZrP
Il materiale composito grafene/zirconio idrogeno fosfato viene preparato con il metodo solvotermico, che può far aderire il grafene generato alla superficie dell'idrogeno fosfato di zirconio in situ per ottenere zirconio idrogeno fosfato e materiale composito grafene. Dopo la calcinazione, il grafene può trovarsi nell'idrogeno fosfato di zirconio Nel reticolo cristallino si formano vacanze di ossigeno, aumentando così il numero di portatori e difetti del reticolo e migliorando la conduttività. La presenza di grafene consente la formazione di una rete conduttiva tra le nanoparticelle di fosfato di idrogeno di zirconio, utile per migliorare la conduttività complessiva del materiale. Allo stesso tempo, il grafene viene utilizzato come film flessibile per rivestire la superficie dell'idrogeno fosfato di zirconio, che può tamponare l'effetto di espansione del volume durante il processo di carica e scarica.
Terzo, le potenziali prospettive dei materiali compositi grafene/ZrP
1. Il metodo di preparazione ha le caratteristiche di funzionamento semplice e facile, forte riproducibilità, basso costo e nessun inquinamento per l'ambiente;
2. Il materiale composito di zirconio idrogeno fosfato e grafene preparato con questo metodo viene utilizzato come materiale dell'elettrodo negativo della batteria al litio, che può superare i problemi di scarsa conduttività della batteria e grave effetto di espansione del volume e ha le caratteristiche di una forte stabilità del ciclo e forte conduttività;
3. Poiché il grafene ha un'elevata conduttività e un'ampia superficie specifica, può migliorare efficacemente la conduttività dei materiali compositi della batteria e, allo stesso tempo, il rivestimento del grafene può migliorare efficacemente l'effetto di espansione del volume dei materiali compositi della batteria e migliorare le prestazioni elettrochimiche di materiali compositi per batterie.
