அலாய்-வகை அனோட் பொருட்கள்

எதிர்கால வடிவமைப்புலித்தியம்-அயன் பேட்டரிகள்தூய மின்சார வாகனங்கள், பிளக்-இன் கலப்பின மின்சார வாகனங்கள் மற்றும் நிலையான ஆற்றல் சேமிப்பு அமைப்புகள் போன்ற உயர்-ஆற்றல்{1}}நுகர்வு சாதனங்களின் தேவைகளை பூர்த்தி செய்ய வேண்டும். வளர்ச்சியில் உள்ள நாவல் அனோட் பொருட்களுக்கு, திறன் முக்கிய செயல்திறன் குறிகாட்டிகளில் ஒன்றாகும். வெவ்வேறு எதிர்வினை வழிமுறைகளின் அடிப்படையில், உயர் தத்துவார்த்த திறன்களைக் கொண்ட சில வேட்பாளர் பொருட்கள் சிலிக்கான் (Si), ஜெர்மானியம் (Ge), சிலிக்கான் மோனாக்சைடு (SiO), டின் (Sn) மற்றும் அதன் ஆக்சைடு (SnOz) ஆகியவை அடங்கும், அவை வழக்கமான திறன்கள் 783 mA·g (SnOz க்கு) (SnOz க்கு) முதல் 4211 mA· (Sih for Sih) வரை இருக்கும். பாரம்பரிய கிராஃபைட் (372 mA·bg) மற்றும் லித்தியம் டைட்டனேட் (LTO, 175 mA·Ng) ஆகியவற்றுடன் ஒப்பிடும்போது இந்த அலாய் பொருட்கள் அதிக குறிப்பிட்ட திறன் நன்மைகளை வெளிப்படுத்தினாலும், அவை மின்னழுத்தம் மற்றும் வெளியேற்றத்தின் போது ஏற்படும் ஒலியளவு மாற்றங்கள் மற்றும் ஆரம்ப மீளமுடியாத திறன் இழப்பு ஆகியவை அவற்றின் ஆயுட்காலத்தை கட்டுப்படுத்துகின்றன. இந்தச் சிக்கல்களைச் சமாளிக்க, ஆராய்ச்சியாளர்கள் பல்வேறு உத்திகளை ஆராய்ந்துள்ளனர், அதாவது துகள் அளவை நானோ அளவில் குறைப்பது மற்றும் செயலில் அல்லது செயலற்ற உலோக லித்தியம் கூறுகளைக் கொண்ட கூட்டுப் பொருள் அமைப்புகளை உருவாக்க முயற்சிப்பது. இந்த முறைகளில், செயலில் உள்ள லித்தியம் தங்கத்தை அலாய் பொருட்களுடன் இணைத்து ஒரு கடத்தும் தாங்கல் அடி மூலக்கூறை உருவாக்குவது சுழற்சி செயல்திறனை மேம்படுத்துவதற்கான திறனைக் காட்டியுள்ளது. மேலும், நானோவாய்கள் அல்லது நானோகுழாய்கள் போன்ற நானோ கட்டமைப்புகளின் வெவ்வேறு உருவ அமைப்புகளைப் பயன்படுத்துவது, அதிக திறன், நல்ல விகித செயல்திறன் மற்றும் நீண்ட சுழற்சி ஆயுளை ஒருங்கிணைக்கும் சிறந்த அனோட் பொருட்களை அடைவதற்கான சிறந்த அணுகுமுறையாகவும் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளது.

Si--சிலிக்கான் அடிப்படையிலான அனோட் பொருட்கள்

சிலிக்கான்-அடிப்படையிலான அனோட் பொருட்கள் முக்கியமாக தூய சிலிக்கான், சிலிக்கான் ஆக்சைடு மற்றும் சிலிக்கான்/கார்பன் கலவைகளால் ஆனவை. அவற்றின் உயர் தத்துவார்த்த திறன், சுற்றுச்சூழல் நட்பு மற்றும் ஏராளமான இயற்கை இருப்புக்கள் காரணமாக, அடுத்த{2}}தலைமுறை உயர்-ஆற்றல்-அடர்த்தி லித்தியம்{5}}அயன் பேட்டரி அனோட்களுக்கான சிறந்த தேர்வாக அவை பரவலாகக் கருதப்படுகின்றன. லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளுக்கு நானோ அளவிலான சிலிக்கானைப் பயன்படுத்துவதற்கான கருத்தை உலகில் முதன்முதலில் முன்மொழிந்தவர்கள் சீன விஞ்ஞானிகள். சீனாவின் ஏராளமான சிலிக்கான் வளங்கள் மற்றும் உலகின்-தனிம சிலிக்கானின் முன்னணி உற்பத்தித் திறன், சிலிக்கான் அடிப்படையிலான அனோட் பொருட்கள் மீதான ஆராய்ச்சி மற்றும் மேம்பாட்டு முயற்சிகள் மற்றும் லித்தியம்{11}}அயன் பேட்டரிகளில் அவற்றின் பயன்பாடு ஆகியவை எதிர்கால உயர்-செயல்திறன் லித்தியம் பேட்டரிகளின் முக்கிய தொழில்நுட்பங்களை மாஸ்டரிங் செய்வதற்கு மிகவும் முக்கியத்துவம் வாய்ந்தது.

பாரம்பரிய கிராஃபைட் அனோட் பொருட்களுடன் ஒப்பிடுகையில், சிலிக்கான் அதிக கோட்பாட்டு ரீதியான குறிப்பிட்ட திறனை (4211 mA·h/g) மற்றும் ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த டிலிதியேஷன் திறனை (0.5V) வெளிப்படுத்துகிறது. குறிப்பிடத்தக்க வகையில், சிலிக்கானின் இயக்க மின்னழுத்தம் கிராஃபைட்டை விட சற்று அதிகமாக உள்ளது. படம் 5-9 சிலிக்கான் படிகத்திற்குள் குறிப்பிட்ட அணு அமைப்பை விளக்குகிறது. சார்ஜ் செய்யும் போது, ​​சிலிக்கானை அனோடாகப் பயன்படுத்துவது, மேற்பரப்பு லித்தியம் முலாம் பூசுவதைக் குறைத்து, பேட்டரி பாதுகாப்பை மேம்படுத்தும். மேலும், சிலிக்கான் ஏராளமாக உள்ளது மற்றும் மலிவானது. இருப்பினும், லித்தியம்-அயன் பேட்டரி அனோட்களுக்கு சிலிக்கானைப் பயன்படுத்துவதும் சில சவால்களை அளிக்கிறது. ஒரு குறைக்கடத்தி பொருளாக, சிலிக்கான் மோசமான கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது. பல சார்ஜ்{12}}டிஸ்சார்ஜ் சுழற்சிகளுக்குப் பிறகு, லித்தியம்{14}}அயன் செருகல் மற்றும் வெளியீட்டால் ஏற்படும் குறிப்பிடத்தக்க அளவு மாற்றங்கள், பொருள் உடைப்புக்கு வழிவகுக்கும், கட்டமைப்பு நிலைத்தன்மையைப் பாதிக்கலாம் மற்றும் தற்போதைய சேகரிப்பாளரிடமிருந்து செயலில் உள்ள பொருளைப் பிரித்து, பேட்டரியின் சுழற்சி ஆயுளைக் கடுமையாகப் பாதிக்கலாம். மேலும், இந்த தொகுதி விரிவாக்கம் சிலிக்கான் மேற்பரப்பில் ஒரு நிலையான மற்றும் பயனுள்ள திடமான-நிலை எலக்ட்ரோலைட் இடைமுகம் (SED) ஃபிலிம் உருவாவதையும் தடுக்கிறது. கார்பன் மேட்ரிக்ஸில் உள்ள தூய சிலிக்கான் அல்லது அதன் சேர்மங்களை ஒரே மாதிரியாக சிதறடிப்பது இந்தப் பிரச்சனைகளை ஓரளவிற்குத் தணிக்கும்: ஒருபுறம், இது கலப்புப் பொருளின் ஒட்டுமொத்த மின்னணு கடத்துத்திறனை மேம்படுத்துகிறது; மறுபுறம், கார்பனின் இருப்பு சிலிக்கான் தொகுதி மாற்றங்களால் ஏற்படும் மன அழுத்தத்தைத் தணிக்க உதவுகிறது, மின்முனை கட்டமைப்பிற்கு சேதத்தை குறைக்கிறது; அதே நேரத்தில், கார்பன் SEI படத்தின் நிலையான உருவாக்கத்தை ஊக்குவிக்கும். எனவே, சிலிக்கான் மற்றும் கார்பனின் நன்மைகளை இணைக்கும் கலப்புப் பொருட்கள், அடுத்த-தலைமுறை உயர்-ஆற்றல்-அடர்த்தி கொண்ட லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளுக்கான சிறந்த அனோட் வேட்பாளர்களில் ஒன்றாகக் கருதப்படுகிறது.

SiO

சிலிக்கான் தவிர, சிலிக்கான் மோனாக்சைடு (SiO) 1600 mA·h/g ஐ விட அதிகமாக இருப்பதால், லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளுக்கான கேண்டிடேட் ஆனோட் பொருளாகவும் கருதப்படுகிறது. மேலும், லித்தியம்-ஆக்சிஜன் ஒருங்கிணைப்பு என்பது சிறிய அளவு மாற்றங்கள் மற்றும் சார்ஜ் மற்றும் டிஸ்சார்ஜ் போது குறைந்த செயல்படுத்தும் ஆற்றல்களைக் குறிக்கிறது. இந்தச் செயல்பாட்டின் போது சாத்தியமான மின்வேதியியல் எதிர்வினைகள் SiO ஐ Si மற்றும் LiO ஆக மாற்றுவது, அதைத் தொடர்ந்து Li உடன் சிலிக்கான்-லித்தியம் கலவை உருவாக்கம்; அல்லது சிலிக்கான்-லித்தியம் அலாய் மற்றும் LixSiO2 ஆகியவற்றின் நேரடி உருவாக்கம். தூய திடமான SiO எந்த வெப்பநிலையிலும் வெப்ப இயக்கவியல் ரீதியாக நிலையற்றது, எனவே விகிதாசார எதிர்வினை மூலம் குறிப்பிட்ட நிலைமைகளின் கீழ் Si மற்றும் SiO2 ஆக சிதைந்துவிடும் என்பது குறிப்பிடத்தக்கது. சிலிக்கானைப் போலவே, லித்தியம் செருகல் மற்றும் பிரித்தெடுக்கும் போது SiO குறிப்பிடத்தக்க அளவு விரிவாக்கம் அல்லது சுருக்கத்திற்கு உட்படுகிறது. கூடுதலாக, SiO குறைந்த கடத்துத்திறனைக் கொண்டுள்ளது, இதன் விளைவாக மெதுவான லித்தியம்{11}}அயன் உட்செலுத்துதல் மற்றும் வெளியேற்ற விகிதங்கள். இந்தச் சிக்கல்களைத் தீர்ப்பதற்கும், மீளக்கூடிய திறனை மேம்படுத்துவதற்கும், சுழற்சி நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கும், ஆராய்ச்சியாளர்கள் பல்வேறு உத்திகளை ஆராய்ந்துள்ளனர். இவற்றில், கார்பன் பூச்சு தொழில்நுட்பம், SiO இல் லித்தியத்தின் மின் வேதியியல் குறைப்பு மற்றும் SiO துகள் அளவைக் குறைத்தல் ஆகியவை குறிப்பாக பயனுள்ள அணுகுமுறைகளாகக் கருதப்படுகின்றன. குறிப்பாக, சிறிய துகள்கள் மற்றும் கார்பன் பூச்சுகளுடன் இணைந்தால், லித்தியம் அயனிகளின் பரவல் பாதையை திறம்பட சுருக்கலாம், அதே நேரத்தில் எலக்ட்ரான் மற்றும் அயனி கடத்தல் திறனை மேம்படுத்தி, மேற்கூறிய சவால்களை சமாளிக்க முடியும்.

GE

Liz2Ge5 ஸ்டோச்சியோமெட்ரிக் விகிதத்தில் அதன் உயர் லித்தியம் சேமிப்பு திறன் (1623 mA·h/g) மற்றும் அதன் மீளக்கூடிய லித்தியம் செருகல் மற்றும் பிரித்தெடுத்தல் செயல்முறை ஆகியவற்றின் காரணமாக லித்தியம்-அயன் பேட்டரி ஆனோட் பொருள் ஆராய்ச்சியில் ஜெர்மானியம் குறிப்பிடத்தக்க கவனத்தை ஈர்த்துள்ளது. ஜெர்மானியம் சிலிக்கானை விட விலை அதிகம் மற்றும் சற்றே குறைந்த திறன் கொண்டதாக இருந்தாலும், சிலிக்கானை விட 10,000 மடங்கு கடத்துத்திறன் மற்றும் 0.67 eV இன் பேண்ட் இடைவெளி போன்ற குறிப்பிடத்தக்க நன்மைகளைக் கொண்டுள்ளது. ஜெர்மானியத்தில் உள்ள லித்தியம் அயனிகளின் பரவல் விகிதம் 360 டிகிரியில் சிலிக்கானை விட 15 மடங்கு வேகமாகவும் அறை வெப்பநிலையில் 400 மடங்கு வேகமாகவும் இருப்பதாக ஆய்வுகள் காட்டுகின்றன. இந்த பண்புகள் ஜெர்மானியத்திற்கு சிறந்த உயர்{13}}தற்போதைய வெளியேற்ற செயல்திறன் மற்றும் அதிக சார்ஜ் போக்குவரத்து செயல்திறனை வழங்குகின்றன. மின்சார வாகனங்கள் போன்ற அதிக{16}}செயல்திறன் ஆற்றல் வெளியீடு தேவைப்படும் பயன்பாடுகளுக்கு இந்த உயர்{15}}சக்தி செயல்திறன் முக்கியமானது. இருப்பினும், சிலிக்கானைப் போலவே, ஜெர்மானியமும் 300% வரை ஒலியளவை விரிவாக்குவதில் சிக்கலை எதிர்கொள்கிறது, இது லித்தியம்-அயன் பேட்டரிகளில் அதன் நடைமுறைப் பயன்பாட்டிற்குத் தடையாக உள்ளது. நானோ துகள்கள், நானோவாய்கள் அல்லது நானோகுழாய்கள் போன்ற நானோ கட்டமைப்பு வடிவமைப்புகளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம், தொகுதி மாற்றங்களின் எதிர்மறை தாக்கத்தை திறம்பட குறைக்கலாம், அதன் மூலம் கூலம்பிக் செயல்திறனை மேம்படுத்தலாம். திடமான{23}}நிலை பைரோலிசிஸ் போன்ற எளிய முறைகளைப் பயன்படுத்தி ஜெர்மானியம் நானோ துகள்களின்-கடத்தும் அடி மூலக்கூறு கலவைகளைத் தயாரிப்பது மின்முனைகளின் மின்வேதியியல் செயல்திறனை மேலும் மேம்படுத்தும் என்பது குறிப்பிடத்தக்கது.

SnO2

Fujifilm ஆல் ஆரம்பத்தில் உருவாக்கப்பட்ட டின் டையாக்சைடு (SnO2), அதன் உயர் தத்துவார்த்த திறன் மற்றும் குறைந்த இயக்க மின்னழுத்தம் (சுமார் 0.6 eV, LiLi உடன் ஒப்பிடும்போது) காரணமாக லித்தியம்{1}}அயன் பேட்டரிகளுக்கான எதிர்மறை மின்முனைப் பொருளாக பரவலான கவனத்தை ஈர்த்தது. மின்வேதியியல் எதிர்வினை செயல்பாட்டில், இது முதலில் ஒரு பகுதி மீளமுடியாத படிநிலைக்கு உட்படுகிறது, அங்கு SnO2 உலோக தகரம் (Sn) மற்றும் லித்தியம் ஆக்சைடு (LiO) ஆக குறைக்கப்படுகிறது; பின்னர், டின் -லித்தியம் கலவையின் உருவாக்கம் மற்றும் சிதைவை உள்ளடக்கிய ஒரு மீளக்கூடிய கட்டம் ஏற்படுகிறது. கோட்பாட்டளவில், SnO2 இன் ஒவ்வொரு மோலும் 8.4 mol லித்தியத்துடன் வினைபுரியும், இது 1491 mA·h/g என்ற கோட்பாட்டுத் திறனுடன் தொடர்புடையது. எவ்வாறாயினும், ஆரம்பக் குறைப்பு வினையின் குறைந்த மீள்தன்மை காரணமாக, நடைமுறைப் பயன்பாடுகளில், பின்வரும் கலப்பு/மாற்று செயல்முறை மூலம் பங்களிக்கும் பயனுள்ள திறன் மட்டுமே{11}}தோராயமாக 783 mA·h/g- பொதுவாகக் கருதப்படுகிறது, மேலும் இந்த மதிப்பு SnO2 பொருளின் நடைமுறைக் கோட்பாட்டுத் திறனாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. மேலும், சார்ஜ்-வெளியேற்ற சுழற்சிகளின் போது, ​​இந்த பொருள் குறிப்பிடத்தக்க அளவு விரிவாக்கத்திற்கு உள்ளாகிறது (200%க்கு மேல்), இது கடுமையான திறன் இழப்புக்கு வழிவகுக்கிறது. இந்த நோக்கத்திற்காக, SnO2 இன் சைக்கிள் ஓட்டுதல் நிலைத்தன்மையை மேம்படுத்துவதற்கும், பல்வேறு முறைகள் மூலம் தொகுதி மாற்றங்களால் மீளமுடியாத திறன் இழப்பைக் குறைப்பதற்கும் ஆராய்ச்சியாளர்கள் அர்ப்பணித்துள்ளனர்.