Materiály lítiovej batérie a budúcnosť
Lítium-iónová batéria je nabíjateľná sekundárna batéria, ktorá sa skladá hlavne z piatich hlavných častí: kladná elektróda, záporná elektróda, elektrolyt, separátor a zberač prúdu.
Hlavnou funkciou materiálov pozitívnych a negatívnych elektród je voľnejšie extrahovať/vkladať lítiové ióny, aby sa realizovala funkcia nabíjania a vybíjania.
Počas procesu nabíjania sa lítiové ióny extrahujú z materiálu kladnej elektródy a vkladajú sa do zodpovedajúceho materiálu zápornej elektródy cez elektrolyt. Súčasne prúdia elektróny z kladnej elektródy cez vonkajší obvod a prúdia k zápornej elektróde;
Keď sa lítiová batéria vybije, lítiové ióny sa extrahujú zo zápornej elektródy a znovu sa vložia do materiálu kladnej elektródy cez elektrolyt. Súčasne elektróny prúdia zo zápornej elektródy na kladnú elektródu cez vonkajší obvod.
Aký je materiál anódy lítiovej batérie?
Materiál zápornej elektródy je nosičom lítiových iónov a elektrónov v procese nabíjania batérie a zohráva úlohu ukladania a uvoľňovania energie. Je to jeden z kľúčových faktorov, ktoré určujú výkon lítium-iónových batérií a sú základom bezpečnosti napájacích batérií.
Ideálny materiál zápornej elektródy musí spĺňať aspoň nasledujúcich 7 podmienok
1. Chemický potenciál je nízky, vytvára veľký potenciálový rozdiel s materiálom kladnej elektródy, čím sa získa batéria s vysokým výkonom;
2. Mal by mať vyššiu špecifickú kapacitu cyklu;
3. Li+ by sa malo ľahko vkladať a extrahovať do materiálu zápornej elektródy a má vysokú coulombickú účinnosť, takže počas procesu extrakcie Li+ môže existovať relatívne stabilné nabíjacie a vybíjacie napätie;
4. dobrá elektrónová vodivosť a iónová vodivosť;
5. Má dobrú stabilitu a určitý stupeň kompatibility s elektrolytmi;
7. Zdroj materiálov by mal byť bohatý na zdroje, mal by mať nízku cenu, jednoduchý vo výrobnom procese; bezpečné, zelené a bez znečistenia.
Anódové materiály, ktoré spĺňajú vyššie uvedené podmienky, v súčasnosti v podstate neexistujú, preto sa výskum nových anódových materiálov s vysokou hustotou energie, dobrým bezpečnostným výkonom, nízkou cenou a ľahko dostupnými materiálmi stal naliehavou úlohou, ktorá je tiež horúcou témou v oblasti výskumu lítiových batérií v tejto fáze.
Prieskum a budúcnosť anódových materiálov pre lítiové batérie
Kompozitný materiál grafén/zirkóniumhydrogenfosfát (ZrP) sa používa ako materiál zápornej elektródy lítiovej batérie, ktorý môže prekonať vodivosť materiálov batérie.
Problémy so zlými elektrickými vlastnosťami a závažnými efektmi objemovej expanzie majú charakteristiky silnej stability cyklu a silnej elektrickej vodivosti.
1. Mechanizmus ukladania lítia v kompozitoch grafén/ZrP
1. Správanie grafénových materiálov pri skladovaní lítia
Grafén má lepšie kanály na prenos elektrónov a iónov, čo je výhodné na urýchlenie rýchlosti nabíjania a vybíjania. Keď sa ako materiál zápornej elektródy použije grafén, vzorec chemickej reakcie je nasledujúci:
Hoci grafén má vysokú rýchlosť difúzie Li{0}} a má vysokú kapacitu počas prvého nabíjacieho a vybíjacieho procesu, keď sa používa ako materiál zápornej elektródy pre lítiové batérie, kapacita grafénu sa po niekoľkých úplných cykloch nabíjania a vybíjania rýchlo zníži a nemožno ho použiť samostatne. Materiál anódy lítiovej batérie, je to preto, že grafénový materiál bude reagovať s elektrolytom lítiovej batérie počas prvého nabíjania a vybíjania a kontaktná plocha s elektrolytom sa počas elektrického cyklu zväčší, čo povedie k hromadeniu vrstiev, čo má za následok v nezvratnosti a nestabilite. Pasivácia filmu SEI, zatiaľ čo pripravený grafén sa ľahko aglomeruje a akumuluje vďaka lamelárnej štruktúre, čo znižuje jeho coulombickú účinnosť.
2. Synergický efekt kompozitných materiálov grafén/ZrP
Kompozit hydrogénfosforečnanu zirkoničitého a grafénu môže nielen zlepšiť vodivosť batérie a zlepšiť jej objemový expanzný efekt, ale má aj dobrú skladovaciu kapacitu lítia a môže zvýšiť špecifickú kapacitu kompozitného materiálu. V porovnaní s inými uhlíkovými materiálmi má grafén výhody veľkého špecifického povrchu, vysokej mechanickej pevnosti a dobrej elektrickej vodivosti. Výskum SnO 2, FeSb 2 a ďalších materiálov ukázal, že zavedenie grafénu môže účinne zlepšiť jeho elektrochemický výkon.
2. Princíp fungovania kompozitu grafén/ZrP
Kompozitný materiál grafén/hydrogenfosforečnan zirkoničitý sa pripravuje solvotermálnou metódou, vďaka ktorej môže generovaný grafén priľnúť k povrchu hydrogénfosforečnanu zirkoničitého in situ, čím sa získa hydrogénfosforečnan zirkoničitý a kompozitný materiál grafénu. Po kalcinácii môže byť grafén v hydrogénfosforečnane zirkoničitom V kryštálovej mriežke sa vytvárajú voľné miesta kyslíka, čím sa zvyšuje počet nosičov a defektov mriežky a zlepšuje sa vodivosť. Prítomnosť grafénu umožňuje vytvorenie vodivej siete medzi nanočasticami hydrogénfosforečnanu zirkoničitého, čo je prospešné pre zlepšenie celkovej vodivosti materiálu. Súčasne sa grafén používa ako flexibilná fólia na potiahnutie povrchu hydrogénfosforečnanu zirkoničitého, ktorý môže tlmiť efekt objemovej expanzie počas procesu nabíjania a vybíjania.
Po tretie, potenciálne vyhliadky kompozitných materiálov grafén / ZrP
1. Spôsob prípravy má vlastnosti jednoduchej a ľahkej prevádzky, silnej reprodukovateľnosti, nízkych nákladov a žiadneho znečistenia životného prostredia;
2. Kompozitný materiál z hydrogénfosforečnanu zirkoničitého a grafénu pripravený touto metódou sa používa ako negatívny elektródový materiál lítiovej batérie, ktorý dokáže prekonať problémy so zlou vodivosťou batérie a vážnym účinkom expanzie objemu a má vlastnosti silnej stability cyklu. a silná vodivosť;
3. Pretože grafén má vysokú vodivosť a veľkú špecifickú plochu povrchu, môže účinne zlepšiť vodivosť batériových kompozitných materiálov a súčasne môže povlak grafénu účinne zlepšiť efekt expanzie objemu batériových kompozitných materiálov a zlepšiť elektrochemický výkon. z kompozitných materiálov batérií.
