Lithium batteri anode materialer og fremtiden
Lithium-ion batteri er et genopladeligt sekundært batteri, som hovedsageligt er sammensat af fem hoveddele: positiv elektrode, negativ elektrode, elektrolyt, separator og strømaftager.
Hovedfunktionen af de positive og negative elektrodematerialer er at gøre lithiumioner mere frit ekstraheret/indsat for at realisere funktionen af opladning og afladning.
Under opladningsprocessen udvindes lithiumioner fra det positive elektrodemateriale og indsættes i det tilsvarende negative elektrodemateriale gennem elektrolytten. Samtidig strømmer elektroner ud fra den positive elektrode gennem det eksterne kredsløb og strømmer til den negative elektrode;
Når et lithiumbatteri aflades, udvindes lithiumioner fra den negative elektrode og genindlejres i det positive elektrodemateriale gennem elektrolytten. Samtidig strømmer elektroner fra den negative elektrode til den positive elektrode gennem det eksterne kredsløb.
Hvad er anodematerialet på lithiumbatteriet?
Det negative elektrodemateriale er bæreren af lithiumioner og elektroner i batteriopladningsprocessen og spiller rollen som energilagring og frigivelse. Det er en af nøglefaktorerne, der bestemmer ydeevnen af lithium-ion-batterier og holder livsnerven i batterisikkerheden.
Det ideelle negative elektrodemateriale skal have mindst følgende 7 betingelser
1. Det kemiske potentiale er lavt, hvilket danner en stor potentialforskel med det positive elektrodemateriale, hvorved der opnås et batteri med høj effekt;
2. Det bør have en højere specifik cykluskapacitet;
3. Li+ skal let indsættes og udtrækkes i det negative elektrodemateriale og har en høj coulombisk effektivitet, så der kan være en relativt stabil ladnings- og afladningsspænding under Li+-ekstraktionsprocessen;
4. God elektronisk ledningsevne og ionledningsevne;
5. Det har god stabilitet og en vis grad af kompatibilitet med elektrolytter;
7. Materialekilden skal være rig på ressourcer, lav pris, enkel i fremstillingsprocessen; sikker, grøn og forureningsfri.
Anodematerialer, der opfylder ovenstående betingelser, eksisterer som udgangspunkt ikke på nuværende tidspunkt, så forskningen i nye anodematerialer med høj energitæthed, god sikkerhedsydelse, lav pris og let tilgængelige materialer er blevet en presserende opgave, som også er et varmt emne i inden for lithiumbatteriforskning på dette stadium.
Udforskning og fremtid af anodematerialer til lithiumbatterier
Graphene/Zirconium Hydrogen Phosphate (ZrP) kompositmateriale bruges som det negative elektrodemateriale af lithiumbatterier, som kan overvinde ledningsevnen af batterimaterialer.
Problemerne med dårlige elektriske egenskaber og alvorlige volumenudvidelseseffekter har karakteristika af stærk cyklusstabilitet og stærk elektrisk ledningsevne.
1. Lithiumlagringsmekanisme af grafen/ZrP-kompositter
1. Lithiumlagringsadfærd af grafenmaterialer
Grafen har bedre elektron- og iontransmissionskanaler, hvilket er gavnligt for at fremskynde opladnings- og afladningshastigheden. Når grafen bruges som et negativt elektrodemateriale, er den kemiske reaktionsformel som følger:
Selvom grafen har en høj Li+-diffusionshastighed og har en høj kapacitet under den første op- og afladningsproces, når den bruges som et negativt elektrodemateriale til lithiumbatterier, vil grafenens kapacitet hurtigt falde efter adskillige komplette opladnings- og afladningscyklusser og kan ikke bruges alene. Lithium batteri anodemateriale, dette skyldes, at grafenmaterialet vil reagere med lithiumbatteriets elektrolyt under den første opladning og afladning, og kontaktfladen med elektrolytten vil blive større under den elektriske cyklus, hvilket vil føre til ophobning af lag, hvilket resulterer i i irreversibilitet og ustabilitet. Passivering af SEI-filmen, mens den forberedte grafen er let at agglomerere og akkumulere på grund af den lamelformede struktur, hvilket gør dens coulombiske effektivitet lav.
2. Synergistisk effekt af grafen/ZrP kompositmaterialer
Kompositten af zirconiumhydrogenphosphat og grafen kan ikke kun forbedre batteriets ledningsevne og forbedre dets volumenudvidelseseffekt, men har også god lithiumlagringskapacitet og kan øge kompositmaterialets specifikke kapacitet. Sammenlignet med andre kulstofmaterialer har grafen fordelene ved stort specifikt overfladeareal, høj mekanisk styrke og god elektrisk ledningsevne. Forskning på SnO 2, FeSb 2 og andre materialer har vist, at introduktionen af grafen effektivt kan forbedre dets elektrokemiske ydeevne.
2. Arbejdsprincip for grafen/ZrP-komposit
Grafen/zirconium hydrogenphosphat-kompositmaterialet fremstilles ved solvotermisk metode, som kan få den genererede grafen til at klæbe til overfladen af zirconiumhydrogenphosphat in situ for at opnå zirconiumhydrogenphosphat og grafenkompositmateriale. Efter kalcinering kan grafenen være i zirconiumhydrogenphosphat Der dannes ilt ledige pladser i krystalgitteret, hvorved antallet af bærere og gitterdefekter øges og ledningsevnen forbedres. Tilstedeværelsen af grafen muliggør dannelsen af et ledende netværk mellem zirconiumhydrogenphosphat-nanopartiklerne, hvilket er gavnligt for at forbedre materialets samlede ledningsevne. Samtidig bruges grafen som en fleksibel film til at belægge overfladen af zirconiumhydrogenphosphat, hvilket kan buffer volumenudvidelseseffekten under opladning og afladning.
For det tredje, de potentielle udsigter for grafen/ZrP-kompositmaterialer
1. Forberedelsesmetoden har karakteristika af enkel og nem betjening, stærk reproducerbarhed, lave omkostninger og ingen forurening til miljøet;
2. Kompositmaterialet af zirconiumhydrogenphosphat og grafen fremstillet ved denne metode bruges som det negative elektrodemateriale af lithiumbatteriet, hvilket kan overvinde problemerne med dårlig batteriledningsevne og alvorlig volumenudvidelseseffekt og har karakteristika af stærk cyklusstabilitet og stærk ledningsevne;
3. Fordi grafen har høj ledningsevne og stort specifikt overfladeareal, kan det effektivt forbedre ledningsevnen af batterikompositmaterialer, og samtidig kan belægningen af grafen effektivt forbedre volumenudvidelseseffekten af batterikompositmaterialer og forbedre den elektrokemiske ydeevne af batterikompositmaterialer.
