חומרי האנודה של סוללת ליתיום והעתיד
סוללת ליתיום-יון היא סוללה משנית נטענת, המורכבת בעיקר מחמישה חלקים עיקריים: אלקטרודה חיובית, אלקטרודה שלילית, אלקטרוליט, מפריד וקולט זרם.
התפקיד העיקרי של חומרי האלקטרודה החיוביים והשליליים הוא להפוך את יוני הליתיום לחילוץ/מוכנס בצורה חופשית יותר, כדי לממש את הפונקציה של טעינה ופריקה.
במהלך תהליך הטעינה, יוני ליתיום מופקים מחומר האלקטרודה החיובית ומוכנסים לחומר האלקטרודה השלילי המתאים דרך האלקטרוליט. במקביל, אלקטרונים זורמים החוצה מהאלקטרודה החיובית דרך המעגל החיצוני וזורמים אל האלקטרודה השלילית;
כאשר סוללת ליתיום מתרוקנת, יוני ליתיום מופקים מהאלקטרודה השלילית ומוטבעים מחדש בחומר האלקטרודה החיובית דרך האלקטרוליט. במקביל, אלקטרונים זורמים מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרודה החיובית דרך המעגל החיצוני.
מהו חומר האנודה של סוללת ליתיום?
חומר האלקטרודה השלילי הוא הנשא של יוני ליתיום ואלקטרונים בתהליך טעינת הסוללה, וממלא את התפקיד של אחסון ושחרור אנרגיה. זהו אחד הגורמים המרכזיים שקובעים את הביצועים של סוללות ליתיום-יון ומחזיק את נשמת החיים של בטיחות סוללת החשמל.
חומר האלקטרודה השלילי האידיאלי חייב להיות לפחות 7 התנאים הבאים
1. הפוטנציאל הכימי נמוך, יוצר הבדל פוטנציאל גדול עם חומר האלקטרודה החיובית, ובכך מקבל סוללה בעלת הספק גבוה;
2. זה צריך להיות בעל קיבולת מחזור ספציפית גבוהה יותר;
3. יש להחדיר ולחלץ את Li+ בקלות בחומר האלקטרודה השלילית, ובעלת יעילות קולומבית גבוהה, כך שיוכלו להיות טעינה ומתח פריקה יציבים יחסית במהלך תהליך החילוץ של Li+;
4. מוליכות אלקטרונית טובה ומוליכות יונים;
5. יש לו יציבות טובה ומידה מסוימת של תאימות עם אלקטרוליטים;
7. מקור החומרים צריך להיות עשיר במשאבים, נמוך במחיר, פשוט בתהליך הייצור; בטוח, ירוק וללא זיהום.
חומרי אנודה העומדים בתנאים הנ"ל בעצם אינם קיימים כיום, ולכן המחקר על חומרי אנודה חדשים עם צפיפות אנרגיה גבוהה, ביצועי בטיחות טובים, מחיר נמוך וחומרים זמינים בקלות הפך למשימה דחופה, שהיא גם נושא חם ב תחום חקר סוללות הליתיום בשלב זה.
חקירה ועתיד של חומרי האנודה לסוללות ליתיום
חומר מרוכב של גרפן/זרקוניום מימן פוספט (ZrP) משמש כחומר האלקטרודה השלילי של סוללת ליתיום, שיכול להתגבר על המוליכות של חומרי הסוללה.
לבעיות של תכונות חשמליות גרועות והשפעות רציניות של התרחבות נפח יש מאפיינים של יציבות מחזור חזקה ומוליכות חשמלית חזקה.
1. מנגנון אחסון ליתיום של תרכובות גרפן/ZrP
1. התנהגות אחסון ליתיום של חומרי גרפן
לגרפן יש ערוצי שידור אלקטרונים ויונים טובים יותר, מה שמועיל להאצת קצב הטעינה והפריקה. כאשר גרפן משמש כחומר אלקטרודה שלילי, נוסחת התגובה הכימית היא כדלקמן:
למרות שלגרפן יש קצב דיפוזיה Li+ גבוה ויש לו קיבולת גבוהה במהלך תהליך הטעינה והפריקה הראשונים כאשר הוא משמש כחומר אלקטרודה שלילי עבור סוללות ליתיום, הקיבולת של הגרפן תדעך במהירות לאחר מספר מחזורי טעינה ופריקה שלמים. ואי אפשר להשתמש לבד. חומר האנודה של סוללת ליתיום, הסיבה לכך היא שחומר הגרפן יגיב עם האלקטרוליט של סוללת הליתיום במהלך הטעינה והפריקה הראשונה, ומשטח המגע עם האלקטרוליט יגדל במהלך המחזור החשמלי, מה שיוביל להצטברות שכבות, וכתוצאה מכך בחוסר הפיכות ובחוסר יציבות. פסיבציה של סרט ה-SEI, בעוד שהגרפן המוכן קל להצטבר ולהצטבר בשל המבנה הלמלרי, מה שהופך את היעילות הקולומבית שלו לנמוכה.
2. אפקט סינרגטי של חומרים מרוכבים גרפן/ZrP
החומר המרוכב של מימן פוספט זירקוניום וגרפן יכול לא רק לשפר את המוליכות של הסוללה ולשפר את אפקט הרחבת הנפח שלה, אלא גם בעל קיבולת אחסון ליתיום טובה ויכול להגדיל את הקיבולת הספציפית של החומר המרוכב. בהשוואה לחומרי פחמן אחרים, לגרפן יש את היתרונות של שטח פנים ספציפי גדול, חוזק מכני גבוה ומוליכות חשמלית טובה. מחקר על SnO 2, FeSb 2 וחומרים אחרים הראה שהחדרה של גרפן יכולה לשפר ביעילות את הביצועים האלקטרוכימיים שלו.
2. עקרון עבודה של מרוכב גרפן/ZrP
החומר המרוכב של מימן פוספט גרפן/זירקוניום מוכן בשיטה סולוותרמית, שיכולה לגרום לגרפן שנוצר להיצמד אל פני השטח של מימן זירקוניום פוספט באתרו כדי להשיג מימן פוספט זירקוניום וחומר מרוכב של גרפן. לאחר ההסתיידות, הגרפן יכול להיות במימן פוספט זירקוניום נוצרים ריקויות חמצן בסריג הגביש, ובכך מגדילים את מספר הנשאים ופגמי הסריג ומשפרים את המוליכות. הנוכחות של גרפן מאפשרת יצירת רשת מוליכה בין ננו-חלקיקי מימן פוספט זירקוניום, מה שמועיל לשיפור המוליכות הכוללת של החומר. יחד עם זאת, גרפן משמש כסרט גמיש לציפוי פני השטח של מימן זירקוניום פוספט, שיכול לחסן את אפקט הרחבת הנפח במהלך תהליך הטעינה והפריקה.
שלישית, הסיכויים הפוטנציאליים של חומרים מרוכבים של גרפן/ZrP
1. לשיטת ההכנה מאפיינים של פעולה פשוטה וקלה, יכולת שחזור חזקה, עלות נמוכה וללא זיהום הסביבה;
2. החומר המרוכב של זירקוניום מימן פוספט וגרפן שהוכן בשיטה זו משמש כחומר האלקטרודה השלילי של סוללת הליתיום, שיכול להתגבר על הבעיות של מוליכות סוללה ירודה ואפקט הרחבת נפח רציני, ויש לו מאפיינים של יציבות מחזורית חזקה. ומוליכות חזקה;
3. מכיוון שלגרפן יש מוליכות גבוהה ושטח פנים ספציפי גדול, הוא יכול לשפר ביעילות את המוליכות של חומרים מרוכבים מהסוללה, ובמקביל, ציפוי הגרפן יכול לשפר ביעילות את אפקט הרחבת הנפח של חומרים מרוכבים של סוללות ולשפר את הביצועים האלקטרוכימיים של חומרים מרוכבים לסוללה.
