La prugetaziun del futurbaterie a ion litio-g’han de vèss en grà de sudisfar i dumand di dispusitif che consuman volt -energia, cuma i veicul eletrich pur, i veicul eletrich ibrid culegà e i sistèm de inmagazinament de energia staziunari. Per i nœuf materiai de anodi en svilupp, la capacità l’è un di indicadur ciave de prestaziun. Su la bas de diferenti mecanism de reaziun, di materiai candidà cun volt capacità teorich g’han silicio (Si), germanio (Ge), monossido di silicio (SiO), stagno (Sn) e sò ossido (SnOz), cun capacità tipich che van de 783 mA·g (per SnO·g/h1) a 421). Anca se chesti materiai en lega mustran di vantagg de capacità specifich püsee volt rispett a la grafit tradiziunal (372 mA·bg) e al titanat de litio (LTO, 175 mA·Ng), i cambiament de volum e la pèrt de capacità inizial iriversibil che subisen durant la carica e la scarica limitan luur durada. Per superar chesti prublem, i ricercatur g’han esplurà vari strategi, cuma sbassà i dimensiun di partisel sü nanoscala e tentà de costruì di sistèm de materiai cumpost che g’han denter compunent de litio metalich atif o inatif. Intra chesti metud, la cumbinaziun del or litio atif cun materiai en lega per furmar un substrà tampon conduttif g’ha mustrà un putenzial per mejiorar la prestaziun del ciclo. Inolter, duperà morfologì diferent de nanostrütur, cuma nanofil o nanotüb, s’è anca dimustrà un aprocc eficas per avegh di materiai anodich ideal che cumbinan una volta capacità, una bona prestaziun a velocità e una luungh vida del ciclo.
Materiai de anodi a bas de silicio
I materiai de anodi a bas de silicio sun cumpost principalment de silicio pur, ossido de silicio e cumpost de silicio/carbonio. A causa de luur volta capacità teorich, amicizia cun l’ambient e abundant riserv natürai, sun cunsiderà la scernida ideal per i anodi a bateria a ion litio a volta densità de energia sucesiva. I scienzià cines sun stà i primi in del mund a propost el cuncett de aplicà el silicio sü nanoscala ai bateri a ion litio. Dat i abundant risurs de silicio de la Cina e la capacità de produziun principal del mund de silicio elementar, l’aument di sforzi de ricerca e svilupp süi materiai anodich basà sül silicio e luur aplicaziun en i bateri a ion al litio l’è de grand impurtanza per dominar i tecnologie ciave de volta prestaziun del futur. baterie a ion litio.
Rispett ai tradiziunai materiai de anodi de grafit, el silicio mustra una capacità specifich teorica magiur (4211 mA·h/g) e un putenzial de delitiaziun relativament püsee bas (0,5V). En particular, la tensiun de funziunament del silicio l’è un pooch superiur a chela de la grafit. La figura 5-9 mustra la disposiziun atomich specifich denter de un cristal de silicio. Durant la carica, duperà el silicio cuma anodo pœu redüss la placcadura al litio superficial, mejiorand inscì la sicureza de la bateria. Inolter, el silicio l’è abundant e minga dispendius. Però, aplicà el silicio ai anodi di bateri a ion litio presenta anca di sfid. Cuma materiai semicondutur, el silicio el g’ha una scadent condutività. Dopu plü cicli de carica, i cambiament de volum significatif causà del inseriment e del liberaziun di ion litio pœden purtà a la rottura del material, influenzand la stabilità strütüral e putenzialment causand la separaziun del material atif dal coletur de curent, influenzand gravement la durada de la bateria. Inolter, chesta espansiun de volum l’impediss anca la formaziun de un film de interfacia de eletrolit a stato solido (SED) stabil e eficaz sü la superfiss del silicio. La dispersiun uniforme del silicio pur o di sò cumpost denter de una matris de carbonio pœu mitigar chesti prublem: de una part, mejiora la condutività eletronich cumplesiva del material cumpost; d’oltra part, la presenza de carboni vœuta a mitigar el stress causà di cambiament de volum del silicio, reducend i dann a la strütüra del eletrodo; cuntempuraneamente, el carbonio pœu favorir la formaziun stabil del film SEI. Donca, i materiai cumpost che cumbinan i vantagg del silicio e del carbonio sun cunsiderà un di candidà ideal per i bateri a ion litio a volta densità de energia sucesiva.
SiO
Olter al silicio, el monossido de silicio (SiO) l’è anca cunsiderà un material anodich candidà per i bateri a ion litio a causa de la sò capacità teorica che la supera 1600 mA·h/g. Ancamò, la coordinaziun del ossigen del litio cumporta cambiament de volum püsee piscinin e energie de attivaziun püsee bas durant la carica e la scarica. I putenziai reaziun eletrochimich durant chestu prucess includen la cunversiun de SiO en Si e LiO, seguida de la furmaziun de una lega de silicio({5}}litio cun Li; o la furmaziun diretta de una lega de silicio e de LixSiO2. L’è impurtant che el SiO solido pur l’è termodinamicamente instabil a qual-se-voor temperadüra e el pœu donc decomponer en Si e SiO2 en cundiziun specifich travers una reaziun de sproporziunaziun. Cuma el silicio, el SiO subiss una significativa espansiun o contraziun de volum durant l’inseriment e l’estraziun del litio. Ancamò, el SiO g’ha una scadent condutività, cunt el resultà de un tass lent de entrada e de uscita di ion litio. Per afrontar qei problema qì, meiorar la capacitaa reversibel e meiorar la stabilitaa del circol, i recercador hann esplorad varie stratejie. Intra chesti, la tecnologia de rivestiment de carbonio, la riduziun eletrochimich del litio en SiO e la riduziun di dimensiun di partisel de SiO sun cunsiderà aprocc particularment eficac. En particular, quant che l’è cumbinà cun partisel püsee piscinin e rivestiment de carbonio, el percors de difusiun di ion de litio pœu vèss scurt, mejiorand inscì l’eficienza de conduziun di eletrun e di ion, superand inscì i sfid menziunà.
GE
El germanio g’ha atirà tanta atenziun in de la ricerca del materiai di anodi de bateria a ion litio per sò volta capacità de inmagazinament de litio (1623 mA·h/g) al raport steichiometrich Liz2Ge5 e al sò prucess de inseriment e estraziun de litio riversibil. Anca se el germanio l’è püsee car del silicio e el g’ha una capacità un pooch püsee basa, el g’ha di vantagg impurtant, cuma la condutività 10.000 volt chela del silicio e un gap de banda de sultant 0,67 eV. I stüdi g’han mustrà che el tass de difusiun di ion litio in del germanio l’è 15 volt püsee veloce che in del silicio a 360 grad e 400 volt püsee veloce a temperadüra ambient. Chesti proprietà dan al germanio una prestaziun de scarica de current volta e una magiur eficienza de trasport de la carica. Chesta prestaziun de volta putenza l’è particularment impurtant per i aplicaziun che dumandan una putenza de volta prestaziun, cuma i veicul eletrich. Però, cuma el silicio, el germanio g’ha anca el prublema del espansiun del volum fin al 300%, che l’è diventà un ostacul a la sò aplicaziun pratica in di bateri a ion litio. Duperant pruget de nanostrütur cuma nanopartisel, nanofil o nanotüb, l’impatt negatif di variaziun de volum pœu vèss mitigà e inscì mejiorand l’eficienza coulombica. Vale la pena nutar che la preparaziun di cumpost de substrà conduttif de nanopartisel de germanio duperand metud facil cuma la pirolisi a stat solid la pœu utimizà ancamò la prestaziun eletrochimich di eletrodi.
SnO2
L’anidrid stagno (SnO2), inizialment svilupada de Fujifilm, g’ha atirà tanta atenziun cuma material de eletrodo negatif per i bateri a ion litio a causa de la sò volta capacità teorica e de la bas tensiun de funziunament (circa 0,6 eV, rispett a LiLi). In del prucess de reaziun eletrochimich, prima subìs un pass parzialment iriversibil, induè el SnO2 l’è ridott a latta metalich (Sn) e a ossid de liti (LiO); dopu, se verifica una fas riversibil, che cumprend la formaziun e la decomposiziun de la lega de litio de latta. En teuria, ogni mol de SnO2 pœu reagiss cun 8,4 mol de litio, che curispunt a una capacità teorica de 1491 mA·h/g. Però, vist la basa riversibilità de la reaziun de riduziun inizial, en aplicaziun prategh, sultant la capacità eficas contribuida del sucesif prucess de lega/delega -circa 783 mA·h/g{{13}n} l’è tipicament cunsiderada, e chestu valur l’è duperà cuma material prategh de mineral S2. Inolter, durant i cicli de carica-scarica, chestu material subìs un’espansiun significativa del volum (püsee del 200%), purtand a una grave pèrt de capacità. A tal fin, i ricercadur se dedican a mejorar la stabilità del ciclo de SnO2 e a redür la pèrt de capacità iriversibil dovüda ai cambiament de volum travers vari metud.