مواد آند باتری لیتیوم و آینده

مواد آند باتری لیتیوم و آینده

باتری لیتیوم یونی یک باتری ثانویه قابل شارژ است که عمدتاً از پنج بخش اصلی تشکیل شده است: الکترود مثبت، الکترود منفی، الکترولیت، جداکننده و کلکتور جریان.

عملکرد اصلی مواد الکترود مثبت و منفی این است که یون‌های لیتیوم آزادانه‌تر استخراج / وارد شوند تا عملکرد شارژ و تخلیه را درک کنند.

در طول فرآیند شارژ، یون‌های لیتیوم از مواد الکترود مثبت استخراج می‌شوند و از طریق الکترولیت به ماده الکترود منفی مربوطه وارد می‌شوند. در همان زمان، الکترون ها از طریق مدار خارجی از الکترود مثبت خارج می شوند و به سمت الکترود منفی می روند.

هنگامی که یک باتری لیتیومی تخلیه می شود، یون های لیتیوم از الکترود منفی استخراج می شوند و دوباره از طریق الکترولیت در مواد الکترود مثبت جاسازی می شوند. در همان زمان، الکترون ها از طریق مدار خارجی از الکترود منفی به الکترود مثبت جریان می یابند.

ماده آند باتری لیتیومی چیست؟

ماده الکترود منفی حامل یون های لیتیوم و الکترون ها در فرآیند شارژ باتری است و نقش ذخیره و رهاسازی انرژی را ایفا می کند. این یکی از عوامل کلیدی است که عملکرد باتری های لیتیوم یونی را تعیین می کند و منبع حیاتی ایمنی باتری های برق است.

ماده الکترود منفی ایده آل باید حداقل 7 شرایط زیر را داشته باشد

1. پتانسیل شیمیایی کم است، اختلاف پتانسیل زیادی با مواد الکترود مثبت ایجاد می کند، در نتیجه یک باتری پرقدرت به دست می آید.

2. باید ظرفیت چرخه خاص بالاتری داشته باشد.

3. Li+ باید به راحتی در مواد الکترود منفی وارد و استخراج شود، و دارای راندمان کولمبیک بالایی باشد، به طوری که در طول فرآیند استخراج Li+ ولتاژ شارژ و تخلیه نسبتاً پایدار وجود داشته باشد.

4. هدایت الکترونیکی خوب و هدایت یونی.

5. پایداری خوب و درجه خاصی از سازگاری با الکترولیت ها دارد.

7. منبع مواد باید غنی از منابع، قیمت پایین، در فرآیند ساخت ساده باشد. ایمن، سبز و بدون آلودگی

مواد آندی که شرایط فوق را دارا باشند اساساً در حال حاضر وجود ندارند، بنابراین تحقیق در مورد مواد آند جدید با چگالی انرژی بالا، عملکرد ایمنی خوب، قیمت پایین و مواد به راحتی در دسترس به یک کار فوری تبدیل شده است، که همچنین یک موضوع داغ در زمینه تحقیقات باتری لیتیومی در این مرحله.

اکتشاف و آینده مواد آند برای باتری های لیتیومی

ماده کامپوزیت گرافن/زیرکونیوم هیدروژن فسفات (ZrP) به عنوان ماده الکترود منفی باتری لیتیومی استفاده می شود که می تواند بر رسانایی مواد باتری غلبه کند.

مشکلات خواص الکتریکی ضعیف و اثرات جدی انبساط حجمی دارای ویژگی های پایداری سیکل قوی و هدایت الکتریکی قوی است.

1. مکانیسم ذخیره سازی لیتیوم کامپوزیت های گرافن/ZrP

1. رفتار ذخیره سازی لیتیوم مواد گرافن

گرافن کانال های انتقال الکترون و یون بهتری دارد که برای سرعت بخشیدن به سرعت شارژ و دشارژ مفید است. هنگامی که گرافن به عنوان یک ماده الکترود منفی استفاده می شود، فرمول واکنش شیمیایی به شرح زیر است:

اگرچه گرافن دارای سرعت انتشار Li{0}} بالایی است و در اولین فرآیند شارژ و دشارژ ظرفیت بالایی دارد که به عنوان ماده الکترود منفی برای باتری‌های لیتیومی استفاده می‌شود، ظرفیت گرافن به سرعت پس از چندین چرخه شارژ و دشارژ کامل کاهش می‌یابد. و به تنهایی قابل استفاده نیست. ماده آند باتری لیتیومی، به این دلیل است که ماده گرافن در اولین شارژ و تخلیه با الکترولیت باتری لیتیوم واکنش نشان می دهد و سطح تماس با الکترولیت در طول چرخه الکتریکی بزرگتر می شود که منجر به تجمع لایه ها می شود و در نتیجه در برگشت ناپذیری و بی ثباتی غیرفعال شدن فیلم SEI، در حالی که گرافن آماده شده به دلیل ساختار لایه‌ای به آسانی تجمع و انباشته می‌شود، که باعث می‌شود بازده کولمبی آن پایین باشد.

2. اثر هم افزایی مواد کامپوزیت گرافن/ZrP

کامپوزیت زیرکونیوم هیدروژن فسفات و گرافن نه تنها می تواند رسانایی باتری را بهبود بخشد و اثر انبساط حجمی آن را بهبود بخشد، بلکه ظرفیت ذخیره سازی لیتیوم خوبی دارد و می تواند ظرفیت ویژه مواد کامپوزیت را افزایش دهد. در مقایسه با سایر مواد کربنی، گرافن دارای مزایای سطح ویژه بزرگ، استحکام مکانیکی بالا و هدایت الکتریکی خوب است. تحقیقات بر روی SnO 2، FeSb 2 و سایر مواد نشان داده است که معرفی گرافن می تواند عملکرد الکتروشیمیایی آن را به طور موثر بهبود بخشد.

2. اصل کار کامپوزیت گرافن/ZrP

ماده کامپوزیتی گرافن/زیرکونیوم هیدروژن فسفات با روش حل گرمایی تهیه می شود که می تواند باعث شود گرافن تولید شده به سطح هیدروژن فسفات زیرکونیوم در محل بچسبد تا زیرکونیوم هیدروژن فسفات و مواد کامپوزیت گرافن به دست آید. پس از کلسینه کردن، گرافن می تواند در زیرکونیوم هیدروژن فسفات باشد، فضای خالی اکسیژن در شبکه کریستالی تشکیل می شود، در نتیجه تعداد حامل ها و عیوب شبکه افزایش می یابد و رسانایی بهبود می یابد. وجود گرافن امکان تشکیل یک شبکه رسانا بین نانوذرات هیدروژن فسفات زیرکونیوم را فراهم می کند که برای بهبود رسانایی کلی ماده مفید است. در عین حال، گرافن به عنوان یک فیلم انعطاف‌پذیر برای پوشش سطح زیرکونیوم هیدروژن فسفات استفاده می‌شود، که می‌تواند اثر انبساط حجمی را در طول فرآیند شارژ و تخلیه باریک کند.

سوم، چشم انداز بالقوه مواد کامپوزیت گرافن/ZrP

1. روش آماده سازی دارای ویژگی های عملیات ساده و آسان، تکرارپذیری قوی، هزینه کم و بدون آلودگی به محیط است.

2. ماده کامپوزیت زیرکونیوم هیدروژن فسفات و گرافن تهیه شده با این روش به عنوان ماده الکترود منفی باتری لیتیومی استفاده می شود که می تواند بر مشکلات هدایت ضعیف باتری و اثر انبساط حجمی جدی غلبه کند و دارای ویژگی های پایداری چرخه قوی است. و رسانایی قوی؛

3. از آنجا که گرافن دارای رسانایی بالا و سطح ویژه بزرگ است، می تواند به طور موثر رسانایی مواد کامپوزیت باتری را بهبود بخشد، و در عین حال، پوشش گرافن می تواند به طور موثر اثر انبساط حجمی مواد کامپوزیت باتری را بهبود بخشد و عملکرد الکتروشیمیایی را بهبود بخشد. از مواد کامپوزیت باتری