मिश्र धातु-प्रकार के एनोड सामग्री

भविष्य का डिजाइनलिथियम-आयन बैटरीउच्च-ऊर्जा-उपभोग करै वाले उपकरणन, जइसे कि शुद्ध इलेक्ट्रिक वाहन, प्लग-इन हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहन अऊर स्थिर ऊर्जा भंडारण प्रणाली के मांगन का पूरा करै में सक्षम होवे के चाही। विकासाधीन उपन्यास एनोड सामग्री के लिए, क्षमता प्रमुख प्रदर्शन संकेतक में से एक है। अलग-अलग प्रतिक्रिया तंत्रन के आधार पर, उच्च सैद्धांतिक क्षमता वाले कुछ उम्मीदवार सामग्री मा सिलिकॉन (Si), जर्मेनियम (Ge), सिलिकॉन मोनोऑक्साइड (SiO), टिन (Sn), अऊर ओकर ऑक्साइड (SnOz) शामिल हैं, जेकर विशिष्ट क्षमता 783 mA·g (SnOz के लिए) से 4211 mA·g (Sifor) तक है। यद्यपि ई मिश्र धातु सामग्री पारंपरिक ग्रेफाइट (372 एमए·बीजी) अऊर लिथियम टाइटनेट (एलटीओ, 175 एमए·एनजी) के तुलना मा उच्च विशिष्ट क्षमता लाभ प्रदर्शित करत हैं, लेकिन आवेश अऊर निर्वहन के दौरान आयतन परिवर्तन अऊर प्रारंभिक अपरिवर्तनीय क्षमता हानि ओनके जीवन काल का सीमित करत है। इन समस्याओं का दूर करै के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न रणनीतियन का पता लगावा है, जइसे कि कण आकार का नैनोस्केल तक कम करब अऊर सक्रिय या निष्क्रिय धातु लिथियम घटकन से युक्त समग्र सामग्री प्रणालिन के निर्माण करै के प्रयास करब। इन विधियन मा, एक प्रवाहकीय बफर सब्सट्रेट बनावै के लिए मिश्र धातु सामग्री के साथ सक्रिय लिथियम सोना का संयोजन चक्र प्रदर्शन में सुधार करै में क्षमता देखाइस है। इसके अलावा, नैनो संरचनाओं के विभिन्न आकृति विज्ञान, जइसे कि नैनोवायर या नैनोट्यूब का नियोजित करब, आदर्श एनोड सामग्री प्राप्त करै के लिए एक प्रभावी दृष्टिकोण भी साबित भवा है जवन उच्च क्षमता, अच्छा दर प्रदर्शन अऊर लंबा चक्र जीवन का जोड़त है।

Si--सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री

सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री मुख्य रूप से शुद्ध सिलिकॉन, सिलिकॉन ऑक्साइड अऊर सिलिकॉन/कार्बन कम्पोजिट से बनी होत हैं। अपनी उच्च सैद्धांतिक क्षमता, पर्यावरण के अनुकूलता अऊर प्रचुर मात्रा मा प्राकृतिक भंडार के कारण, ओनका व्यापक रूप से अगली-पीढ़ी के उच्च-ऊर्जा-घनत्व लिथियम-आयन बैटरी एनोड्स के लिए आदर्श विकल्प माना जात है। चीनी वैज्ञानिक दुनिया मा पहिला रहें जे लिथियम-आयन बैटरी मा नैनोस्केल सिलिकॉन लागू करै के अवधारणा का प्रस्ताव दिहिन। चीन के प्रचुर सिलिकॉन संसाधनन अऊर तत्व सिलिकॉन के विश्व-अग्रणी उत्पादन क्षमता का देखत हुए, सिलिकॉन-आधारित एनोड सामग्री अऊर लिथियम-आयन बैटरी मा ओनके अनुप्रयोग पर अनुसंधान अऊर विकास प्रयासन मा वृद्धि भविष्य के उच्च प्रदर्शन के प्रमुख प्रौद्योगिकियन मा महारत हासिल करै के लिए बहुत महत्व रखत है। बैटरी।

पारंपरिक ग्रेफाइट एनोड सामग्री के तुलना मा, सिलिकॉन एक उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमता (4211 एमए · एच / जी) अऊर अपेक्षाकृत कम विभाजन क्षमता (0.5 वी) प्रदर्शित करत है। विशेष रूप से, सिलिकॉन का संचालन वोल्टेज ग्रेफाइट के तुलना मा थोड़ा अधिक है। चित्र 5-9 एक सिलिकॉन क्रिस्टल के भीतर विशिष्ट परमाणु व्यवस्था का दर्शाता है। चार्जिंग के दौरान, एनोड के रूप मा सिलिकॉन का उपयोग करै से सतह लिथियम चढ़ाना कम होइ सकत है, जेहिसे बैटरी सुरक्षा मा सुधार होइ सकत है। यहिके अलावा, सिलिकॉन बहुतायत मा अऊर सस्ता है। हालांकि, लिथियम-आयन बैटरी एनोड्स मा सिलिकॉन लगावै से कुछ चुनौति भी पेश होत हैं। एक अर्धचालक सामग्री के रूप मा, सिलिकॉन मा खराब चालकता होत है। कईयो चार्ज-डिस्चार्ज चक्रन के बाद, लिथियम-आयन के सम्मिलन अऊर रिलीज के कारण महत्वपूर्ण आयतन परिवर्तन सामग्री के टूटन का कारण बन सकत हैं, जेसे संरचनात्मक स्थिरता प्रभावित होइ सकत है अऊर संभावित रूप से वर्तमान संग्राहक से सक्रिय सामग्री के अलग हो सकत है, जेसे बैटरी के चक्र जीवन का गंभीर रूप से प्रभावित कीन जा सकत है। इसके अलावा, ई आयतन विस्तार सिलिकॉन सतह पर एक स्थिर अऊर प्रभावी ठोस-राज्य इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस (एसईडी) फिल्म के गठन मा भी बाधा डालत है। कार्बन मैट्रिक्स के भीतर शुद्ध सिलिकॉन या ओकर यौगिकन का समान रूप से फैलावै से कुछ हद तक इन समस्याओं का कम कीन जा सकत है: एक ओर, ई समग्र सामग्री के समग्र इलेक्ट्रॉनिक चालकता में सुधार करत है; दूसर ओर, कार्बन के उपस्थिति सिलिकॉन आयतन परिवर्तन से होए वाले तनाव का कम करै मा मदद करत है, जेसे इलेक्ट्रोड संरचना का नुकसान कम होत है; एक साथ, कार्बन एसईआई फिल्म के स्थिर गठन का बढ़ावा दे सकत है। यहिसे, सिलिकॉन अऊर कार्बन के फायदा का जोड़त समग्र सामग्री का अगली-पीढ़ी के उच्च-ऊर्जा-घनत्व वाली लिथियम-आयन बैटरी के लिए आदर्श एनोड उम्मीदवारन में से एक माना जात है।

SiO

सिलिकॉन के अलावा, सिलिकॉन मोनोऑक्साइड (SiO) का भी लिथियम-आयन बैटरी के लिए एक उम्मीदवार एनोड सामग्री माना जात है काहे से कि ओकर सैद्धांतिक क्षमता 1600 mA·h/g से अधिक है। इसके अलावा, लिथियम-ऑक्सीजन समन्वय चार्ज अऊर डिस्चार्ज के दौरान छोट आयतन परिवर्तन अऊर कम सक्रियण ऊर्जा का तात्पर्य करत है। यहि प्रक्रिया के दौरान संभावित विद्युत रासायनिक प्रतिक्रियाओं मा SiO का Si अऊर LiO मा बदलब शामिल है, जेकरे बाद Li के साथ सिलिकॉन-लिथियम मिश्र धातु का निर्माण होत है; या सिलिकॉन-लिथियम मिश्र धातु अऊर LixSiO2 का सीधा गठन। ई उल्लेखनीय है कि शुद्ध ठोस SiO कौनो भी तापमान पर ऊष्मप्रवैगिकी रूप से अस्थिर है अऊर यहिसे एक असमानता प्रतिक्रिया के माध्यम से विशिष्ट परिस्थितियन मा Si अऊर SiO2 मा विघटित होइ सकत है। सिलिकॉन के समान, लिथियम सम्मिलन अऊर निष्कर्षण के दौरान SiO महत्वपूर्ण आयतन विस्तार या संकुचन से गुजरत है। यहिके अलावा, SiO मा खराब चालकता होत है, जेकरे परिणामस्वरूप लिथियम-आयन धीमा प्रवेश अऊर निकास दर होत है। इन मुद्दन का संबोधित करै, प्रतिवर्ती क्षमता बढ़ावै अऊर चक्र स्थिरता में सुधार करै के लिए, शोधकर्ताओं ने विभिन्न रणनीतियन का पता लगावा है। इनमा से, कार्बन कोटिंग तकनीक, SiO मा लिथियम के विद्युत रासायनिक कमी अऊर SiO कण आकार का कम करब विशेष रूप से प्रभावी दृष्टिकोण माना जात है। विशेष रूप से, जब छोट कणन अऊर कार्बन कोटिंग्स के साथ जोड़ा जात है, तौ लिथियम आयनन के प्रसार पथ का प्रभावी ढंग से छोटा कीन जा सकत है, जबकि इलेक्ट्रॉन अऊर आयन चालन दक्षता में सुधार कीन जा सकत है, जेहिसे उपरोक्त चुनौतिन का दूर कीन जा सकत है।

जी ई

जर्मेनियम ने Liz2Ge5 स्टोइकोमेट्रिक अनुपात मा अपनी उच्च लिथियम भंडारण क्षमता (1623 mA·h/g) अऊर अपने प्रतिवर्ती लिथियम सम्मिलन अऊर निष्कर्षण प्रक्रिया के कारण लिथियम-आयन बैटरी एनोड सामग्री अनुसंधान मा महत्वपूर्ण ध्यान आकर्षित किहिन है। यद्यपि जर्मेनियम सिलिकॉन से अधिक महंगा है अऊर एकर क्षमता थोड़ा कम है, लेकिन एकर महत्वपूर्ण फायदा है, जइसे कि सिलिकॉन के तुलना मा 10,000 गुना चालकता अऊर केवल 0.67 ईवी का बैंड गैप। अध्ययन से पता चला है कि जर्मेनियम मा लिथियम आयनन के प्रसार दर 360 डिग्री पर सिलिकॉन के तुलना मा 15 गुना अऊर कमरा के तापमान पर 400 गुना तेज है। ई गुण जर्मेनियम का उत्कृष्ट उच्च - वर्तमान निर्वहन प्रदर्शन अऊर उच्च आवेश परिवहन दक्षता देत हैं। ई उच्च-शक्ति प्रदर्शन उच्च-प्रदर्शन शक्ति उत्पादन के आवश्यकता वाले अनुप्रयोगन के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जइसे कि इलेक्ट्रिक वाहन। हालांकि, सिलिकॉन के समान, जर्मेनियम का भी 300% तक के आयतन विस्तार के समस्या का सामना करै का परत है, जवन लिथियम-आयन बैटरी मा एकर व्यावहारिक अनुप्रयोग मा बाधा बन गा है। नैनोकण, नैनोवायर या नैनोट्यूब जइसन नैनोस्ट्रक्चर डिजाइनन का उपयोग कइके, आयतन परिवर्तन के नकारात्मक प्रभाव का प्रभावी ढंग से कम कीन जा सकत है, जेहिसे कूलोम्बिक दक्षता में सुधार कीन जा सकत है। ई ध्यान देय लायक है कि ठोस-राज्य पायरोलिसिस जइसन सरल विधियन का उपयोग कइके जर्मेनियम नैनोकण-प्रवाहकीय सब्सट्रेट कम्पोजिट के तैयारी इलेक्ट्रोड के विद्युत रासायनिक प्रदर्शन का अउर अनुकूलित कइ सकत है।

एसएनओ2

टिन डाइऑक्साइड (SnO2), जेका शुरू मा फुजीफिल्म द्वारा विकसित कीन गा रहा, ने अपनी उच्च सैद्धांतिक क्षमता अऊर कम ऑपरेटिंग वोल्टेज (लगभग 0.6 eV, LiLi के सापेक्ष) के कारण लिथियम- आयन बैटरी के लिए एक नकारात्मक इलेक्ट्रोड सामग्री के रूप मा व्यापक ध्यान आकर्षित किहिस है। विद्युत रासायनिक प्रतिक्रिया प्रक्रिया मा, ई पहिले आंशिक रूप से अपरिवर्तनीय चरण से गुजरत है, जहां SnO2 धातु टिन (Sn) अऊर लिथियम ऑक्साइड (LiO) मा कम होइ जात है; बाद मा, एक प्रतिवर्ती चरण होत है, जेहिमा टिन-लिथियम मिश्र धातु के गठन अऊर अपघटन शामिल होत है। सैद्धांतिक रूप से, SnO2 का प्रत्येक मोल 8.4 मोल लिथियम के साथ प्रतिक्रिया कर सकत है, जवन 1491 mA·h/g के सैद्धांतिक क्षमता से मेल खात है। हालांकि, प्रारंभिक कमी प्रतिक्रिया के कम प्रतिवर्तीता का देखत हुए, व्यावहारिक अनुप्रयोगन मा, केवल बाद के मिश्र धातु/मिश्र धातु प्रक्रिया -लगभग 783 mA·h/g- द्वारा योगदानित प्रभावी क्षमता का आम तौर पर माना जात है, अऊर ई मान SO 2 के व्यावहारिक सैद्धांतिक सामग्री के रूप मा उपयोग कीन जात है। इसके अलावा, चार्ज-डिस्चार्ज चक्रन के दौरान, ई सामग्री महत्वपूर्ण आयतन विस्तार (200% से अधिक) से गुजरत है, जेहिसे गंभीर क्षमता हानि होत है। यहि अंत तक, शोधकर्ता SnO2 के साइकिल स्थिरता में सुधार करै अऊर विभिन्न तरीकन के माध्यम से आयतन परिवर्तन के कारण अपरिवर्तनीय क्षमता हानि का कम करै के लिए समर्पित हैं।