Breve análisis de varios materiales de ánodo de la batería de litio.

Los materiales del ánodo principal de la batería de litio son material a base de estaño, material a base de litio, titanato de litio, nanotubos de carbono y materiales de grafeno. La densidad de energía de la batería de litio del material del cátodo es uno de los principales factores que influyen en la densidad de energía de la batería de litio, los materiales del cátodo de la batería de litio, los materiales del ánodo, los electrolitos, el diafragma se conoce como el material de cuatro núcleos de las baterías de iones de litio. Aquí hacemos una breve introducción de todo tipo de desempeño de los materiales del ánodo, las ventajas y desventajas, y la posible dirección de mejora.

Nanotubos de carbon

Los nanotubos de carbono son un tipo de estructura de grafitización del material de carbono, en sí mismo tiene una excelente conductividad eléctrica, al mismo tiempo debido a su pequeño cuando despega la profundidad intercalada-li, viaje corto, como el material del cátodo en la gran proporción al cargar y descargar el efecto de polarización es pequeño, puede mejorar las propiedades de carga y descarga de la batería.

Directamente, sin embargo, los nanotubos de carbono como material de cátodo de batería de litio, no hay capacidad reversible es alta, la histéresis de voltaje y la plataforma de descarga no es obvia.Utilizando un filtro simple como Ng se preparó nanotubos de carbono de pared simple, es directamente como el cátodo material, su primera capacidad de descarga es de 1700 mah / g, la capacidad reversible es de 400 mah / g solamente.

Figura 1 materiales de cátodos de nanotubos de carbono

Otra aplicación de los nanotubos de carbono en el cátodo es con otros materiales de ánodo (grafito, titanato de litio, estaño, silicio, etc.) compuestos, utilizando su estructura hueca única, y las ventajas de alta conductividad y gran área de superficie específica como portador para mejorar. el rendimiento de otros materiales de ánodo.Por el método de deposición de vapor químico, como guo en agujeros de grafito expandido, crecimiento in situ de nanotubos de carbono, se sintetizó material compuesto de nanotubos de carbono / grafito expandido, la capacidad reversible es de 443 mah / g, por primera vez En un ciclo de carga y descarga de 1 c después de 50 veces, la capacidad reversible puede alcanzar los 259 mah / g. La estructura hueca de nanotubos de carbono y orificios de grafito expandido ofrece una amplia gama de actividad de litio, y esta estructura puede amortiguar el efecto de volumen del material producido en proceso de carga y descarga.

grafeno

En 2004, los investigadores de la Universidad de Manchester descubrieron que los materiales de grafeno por primera vez y ganó un Premio Nobel. El grafeno es un anillo de seis miembros formado a partir de carbono de nuevos materiales de carbono, tiene muchas propiedades excelentes, como una gran superficie específica (aproximadamente 2600 m2g - 1), alto coeficiente de conductividad térmica (aproximadamente 5300 wm - 1 k - 1), alta conductividad electrónica (movilidad de electrones durante 15000 s cm2v - 1-1) y buenas propiedades mecánicas, denominadas baterías de iones de litio Materiales y ha atraído mucho atención.

El grafeno directamente como material de cátodo de batería de litio, tiene muy buen rendimiento electroquímico.El laboratorio que utiliza hidrato de hidracina como agente reductor, la preparación de la jungla de la morfología del grafeno y su carácter de carbono tanto duro como blando y por encima del rango de voltaje de 0,5 V, muestran el características del condensador.

Figura 2 materiales del ánodo de grafeno

Materiales del ánodo de grafeno con una tasa de descarga de 1 c, la capacidad reversible es de 650 mah / g, por primera vez después de 100 veces la capacidad del ciclo de carga y descarga puede alcanzar los 460 mah / g. El grafeno también se puede utilizar como agente conductor, los materiales del ánodo y otros compuestos, mejoran el rendimiento electroquímico de los materiales del ánodo.Como zai-pozos poco profundos por dispersión ultrasónica de compuestos Fe3O4 / grafeno, preparados por la corriente de 200 ma / g de densidad para transferir electricidad, después de 50 ciclos, la capacidad es 1235 mah / g; En la densidad de corriente de 5000 sy 10000 ma / g para transferir electricidad, después de una capacidad de 700 ciclos puede alcanzar 450 mah / gy 315 mah / g, mostró una alta capacidad y un buen rendimiento de ciclo.

Titanato de litio

Titanato de litio y espinela como materiales de ánodo preocupantes, porque tiene las siguientes ventajas:

1) antes y después de quitar el titanato de litio intercalado-li casi "cepa cero (para quitar los parámetros de la celda de cristal intercalado-li antes y después" a de 0,836 nm a sólo 0,837 nm).

2) el mayor potencial intercalado-li (1,55 V), evitar "dendrita de litio", alta seguridad;

3) tiene una plataforma de voltaje plano;

4) coeficiente de difusión química y eficiencia culombiana.

Muchas ventajas del titanato de litio determinan su excelente rendimiento de ciclo y alta seguridad, sin embargo, su conductividad eléctrica no es alta, gran carga de corriente y atenuación de capacidad de descarga grave, por lo general adoptan modificación de superficie o dopaje para mejorar su conductividad. ) 2 como fuente de magnesio, preparado por el método de fase sólida de titanato de litio dopado con magnesio 2 +, muestran que el magnesio dopado 2 + no destruyó la estructura cristalina de titanato de litio de espinela, y el material dopado después de una mejor dispersión, su capacidad específica bajo la condición de la tasa de descarga de 10 c puede alcanzar 83,8 mAh / g, es 2,2 veces mayor que la de sin dopaje, y sin atenuación obvia después de 10 veces para cargar y descargar la capacidad del ciclo, mediante la prueba de impedancia de corriente alterna muestra que el material dopado después de la carga La resistencia de transferencia se reduce obviamente.Zheng a través del método de fase sólida de alta temperatura, como el litio Li2CO3 y el ácido cítrico se utilizaron respectivamente ly como fuente de litio, se preparó titanato de litio en fase pura y el titanato de litio revestido con carbono.

Figura 3 materiales del cátodo de titanato de litio

Los experimentos muestran que el recubrimiento de carbono de titanato de litio con un tamaño de partícula más pequeño y una buena dispersión, mostró mejores propiedades electroquímicas, principalmente debido a que el recubrimiento de carbono puede mejorar las partículas de titanato de litio en la superficie de la conductividad electrónica, y el tamaño de partícula más pequeño reduce el Li + camino de difusión.

Materiales a base de silicio

El silicio como material de ánodo de batería de iones de litio ideal, tiene las siguientes ventajas:

1) el silicio puede formar una aleación de Li4.4 Si con litio, teoría de almacenamiento de litio dada hasta 4200 mah / g (más de 10 veces el grafito dado);

2) el potencial de silicio intercalado-li (0,5 V) es ligeramente superior al del grafito, cuando la carga es difícil de formar "dendrita de litio";

3) silicio y electrolito de baja reactividad, los solventes orgánicos fueron incrustados, el fenómeno no ocurrirá.

Silicio, sin embargo, el electrodo se producirá en el proceso de carga y descarga del rendimiento del ciclo y la atenuación de la capacidad, hay principalmente dos razones:

1) silicio y la generación de aleación de litio Li4.4 Si, la expansión de volumen es tan alta como 320%, el gran cambio de volumen conduce fácilmente a la caída de los materiales activos y, por lo tanto, reduce el contacto eléctrico entre ellos, causa caídas en el rendimiento del ciclo del electrodo rápidamente;

2) la descomposición del electrolito LiPF6 de las trazas de silicio de grabado de HF provocó la atenuación de la capacidad del electrodo de silicio.

Con el fin de mejorar el rendimiento electroquímico del electrodo de silicio, generalmente se tiene la siguiente forma: la preparación de materiales nanométricos de silicio, materiales de aleación y materiales compuestos, como el Ge, el grabado químico de los nanocables de silicio dopados con boro, preparados por la carga y descarga El flujo de electricidad en el 2 a / g, la capacidad de circulación después de las 250 semanas aún se puede alcanzar 2000 mah / g, mostró un excelente rendimiento electroquímico, debido al mecanismo integrado de nanocables de litio de silicio que puede aliviar eficazmente la expansión de volumen en el proceso de circulación. Liu se preparó mediante un molino de bolas de alta energía, como los complejos Si-NiSi-Ni, y luego se utilizaron compuestos disueltos en HNO3 de Ni elemental, la estructura porosa de los compuestos Si-NiSi.

Figura 4 materiales de ánodo a base de silicio

A través de la caracterización XRD, el sistema de aleación NiSi existente, no solo ha proporcionado una capacidad reversible como materiales de ánodo, también con partículas dentro del poro, expansión del volumen de amortiguación en el proceso de silicio en el ciclo de carga y descarga, mejora el rendimiento del ciclo del electrodo de silicio .Lee usando resina fenólica como fuente de carbono, como en atmósfera de argón a 700 ℃ de pirólisis de alta temperatura, la preparación de material compuesto de Si / C de tipo núcleo-capa, después de 10 ciclos de capacidad irreversible del compuesto es de 1029 mah / g, todavía muestra que La formación de enlaces covalentes de Na2CO3 entre la superficie de silicio con resina fenólica y luego el agrietamiento a alta temperatura puede mejorar el contacto entre el silicio y el carbono de pirólisis, para mejorar la circulación de los materiales del ánodo y reducir la pérdida de capacidad irreversible.

Aleación de estaño

SnCoC en materiales de ánodo de aleación de estaño es una comercialización más exitosa de materiales, los tres elementos de Sn, Co y C se mezclan a nivel atómico, no el procesamiento de cristalización y, el material puede inhibir eficazmente el proceso de carga y descarga del cambio de volumen del material del electrodo, mejorar El ciclo de vida.En 2011, SONY de Japón anunció por Sn serie de material amorfo como una capacidad de 3,5 18650 cátodo de batería cilíndrica AH.La capacidad específica teórica de estaño elemental es 994 mah / g, puede con otra formación de metales de compuestos intermetálicos como Li, Si, Co., como Xue UTILIZA un revestimiento eléctrico que primero preparó la estructura porosa tridimensional del portador de película de Cu, y luego mediante electrodeposición en la carga superficial del portador de película delgada de Cu de aleación de Sn - Co, que se preparó mediante una estructura porosa tridimensional de aleación Sn-Co.

El material de la primera capacidad específica de descarga de 636,3 mAh / g, la eficiencia de culombio alcanzó el 83,1%, por primera vez después de 70 veces la capacidad específica del ciclo de carga y descarga todavía se puede alcanzar 511,0 mAh / g. Wang, como el grafito como dispersante, SnO / el SiO y la mezcla de litio metálico como reactivos, mediante el uso de un molino de bolas mecánico de alta energía y el tratamiento térmico posterior, la preparación del grafito uniformemente disperso en la matriz de la aleación Sn / Si, el material después de 200 veces de carga y descarga ciclo, la capacidad reversible puede alcanzar 574.1 mAh / g, aún es mejor que el SnO simple o los materiales del ánodo de SiO.

Óxido de estaño

SnO2 debido a que tiene una alta capacidad específica teórica (781 mah / g), se ha prestado mucha atención al, sin embargo, existen algunos problemas en su proceso de aplicación: primero la capacidad irreversible grande, el intercalado-li cuando hay un efecto de gran volumen de expansión de volumen (250% ~ 300%), fácil de reunir en el proceso de circulación, etc.

La investigación muestra que, a través de la preparación de materiales compuestos, puede contener eficazmente las partículas de SnO2 juntas, al mismo tiempo también puede aliviar el efecto de volumen intercalado-li, mejorar la estabilidad electroquímica del SnO2.Zhou por deposición química y sinterización a alta temperatura, tal como la preparación de material compuesto de SnO2 / grafito, está bajo la densidad de corriente de 100 ma / g, la capacidad específica puede alcanzar más de 450 mah / g, bajo la densidad de corriente de 2400 ma / g, la capacidad específica reversible de más de 230 mah / g, los resultados experimentales muestran que el grafito como portador, no solo puede dispersar las partículas de SnO2 de manera más uniforme, y puede contener las partículas juntas de manera efectiva, mejorando la estabilidad del ciclo del material.

En resumen, en los últimos años, el material del cátodo de la batería de iones de litio en la dirección de alta capacidad, ciclo de vida largo y bajo costo.Material de metal (estaño, silicio) en alto volumen al mismo tiempo con el cambio de volumen, debido a la capacidad de el material de aleación de metal es proporcional al cambio de volumen, y las baterías reales no permiten los grandes cambios de volumen (generalmente menos del 5%), por lo que su capacidad para jugar en la aplicación práctica está limitada por el mayor, resolver o mejorar el El efecto del cambio de volumen se convertirá en la dirección de la investigación y el desarrollo de material de base metálica.

El titanato de litio debido a que tiene un pequeño cambio de volumen, un ciclo de vida prolongado y una buena seguridad y otras ventajas significativas, en el campo de los vehículos eléctricos y otros sistemas de almacenamiento de energía a gran escala tiene un gran potencial, debido a su baja densidad de energía y material de ánodo de alto voltaje LiMn1.5 Ni0.5 uso coincidente, m1 es de alta seguridad en el futurobatería de energíaLa dirección de desarrollo.

Los nanomateriales de carbono (nanotubos de carbono y grafeno) con área de superficie específica, alta conductividad eléctrica, estabilidad química, etc., tienen aplicaciones potenciales en las nuevas baterías de iones de litio.Los nanomateriales de carbono como materiales de ánodo están solos, sin embargo, la alta capacidad irreversible, histéresis de voltaje, materiales de ánodo y otro uso compuesto es la opción práctica.

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