Muundo wa siku zijazobetri za lithiamu-ionilazima kiwe na uwezo wa kukidhi mahitaji ya-vifaa-vinavyotumia nishati-ya juu, kama vile magari safi ya umeme, plagi-katika magari mseto ya umeme, na mifumo ya kuhifadhi nishati iliyosimama. Kwa nyenzo mpya za anode zinazoendelea, uwezo ni moja ya viashiria muhimu vya utendaji. Kulingana na mbinu tofauti za majibu, baadhi ya nyenzo za mtahiniwa zilizo na uwezo wa juu wa kinadharia ni pamoja na silikoni (Si), germanium (Ge), monoksidi ya silicon (SiO), bati (Sn), na oksidi yake (SnOz), yenye uwezo wa kawaida kuanzia 783 mA·g (kwa SnOz) hadi 4211 mA·h/g (kwa Si). Ingawa nyenzo hizi za aloi zinaonyesha manufaa ya juu ya uwezo mahususi ikilinganishwa na grafiti ya kitamaduni (372 mA·bg) na lithiamu titanate (LTO, 175 mA·Ng), mabadiliko ya sauti na upotezaji wa uwezo wa awali usioweza kutenduliwa wanapochaji na kutokwa huweka mipaka ya maisha yao. Ili kuondokana na matatizo haya, watafiti wamechunguza mikakati mbalimbali, kama vile kupunguza ukubwa wa chembe hadi nanoscale na kujaribu kuunda mifumo ya nyenzo yenye vipengele vya lithiamu hai au isiyofanya kazi. Miongoni mwa mbinu hizi, kuchanganya dhahabu hai ya lithiamu na nyenzo za aloi kuunda substrate ya bafa ya kupitishia imeonyesha uwezo wa kuboresha utendakazi wa mzunguko. Zaidi ya hayo, kutumia mofolojia tofauti za miundo ya nano, kama vile nanowires au nanotubes, pia imethibitishwa kuwa njia bora ya kufikia nyenzo bora za anode zinazochanganya uwezo wa juu, utendakazi mzuri wa kiwango, na maisha ya mzunguko mrefu.
Si--Nyenzo za anodi zenye msingi wa silicon
Nyenzo za anodi za silicon-huundwa hasa na silikoni safi, oksidi ya silicon, na viunzi vya silicon/kaboni. Kwa sababu ya uwezo wao wa juu wa kinadharia, urafiki wa mazingira, na hifadhi nyingi za asili, zinazingatiwa sana kuwa chaguo bora kwa-kizazi kijacho cha juu-nishati{4}}anodi ya lithiamu{5}}ya betri ya ioni kijacho. Wanasayansi wa China walikuwa wa kwanza duniani kupendekeza dhana ya kutumia silikoni ya nanoscale kwenye betri za lithiamu-ioni. Kwa kuzingatia rasilimali nyingi za silicon za Uchina na{9}}uwezo unaoongoza wa uzalishaji wa silicon ya msingi ulimwenguni, kuongeza juhudi za utafiti na maendeleo kwenye silicon{{10}nyenzo za anodi zenye msingi wa silicon na utumiaji wake katika betri za lithiamu{11}}ioni ni muhimu sana kwa kufahamu teknolojia kuu za betri{12}}zinazofanya kazi zaidi{12}} za lithiamu} {{1}
Ikilinganishwa na nyenzo za anodi za grafiti za kitamaduni, silikoni huonyesha uwezo mahususi wa juu zaidi wa kinadharia (4211 mA·h/g) na uwezo mdogo wa kuharibika (0.5V). Hasa, voltage ya uendeshaji ya silicon ni ya juu kidogo kuliko ya grafiti. Kielelezo cha 5-9 kinaonyesha mpangilio maalum wa atomiki ndani ya fuwele ya silicon. Wakati wa kuchaji, kwa kutumia silicon kama anode kunaweza kupunguza uwekaji wa lithiamu kwenye uso, na hivyo kuboresha usalama wa betri. Zaidi ya hayo, silicon ni nyingi na ya gharama nafuu. Hata hivyo, kutumia silicon kwenye anodi ya betri ya lithiamu{11}} pia huleta changamoto fulani. Kama nyenzo ya semiconductor, silicon ina conductivity duni. Baada ya mizunguko mingi ya kuchaji{12}}, mabadiliko makubwa ya sauti yanayosababishwa na lithiamu{14}}kuingizwa na kutolewa kwa ioni za lithiamu kunaweza kusababisha kukatika kwa nyenzo, kuathiri uthabiti wa muundo na uwezekano wa kusababisha utengano wa nyenzo amilifu kutoka kwa kikusanyaji cha sasa, na kuathiri sana maisha ya mzunguko wa betri. Zaidi ya hayo, upanuzi huu wa sauti pia huzuia uundaji wa filamu thabiti na dhabiti-ya kiolesura cha elektroliti (SED) kwenye uso wa silicon. Kutawanya kwa usawa silicon safi au misombo yake ndani ya tumbo la kaboni inaweza kupunguza matatizo haya kwa kiasi fulani: kwa upande mmoja, inaboresha conductivity ya jumla ya elektroniki ya nyenzo za mchanganyiko; kwa upande mwingine, uwepo wa kaboni husaidia kupunguza mkazo unaosababishwa na mabadiliko ya kiasi cha silicon, kupunguza uharibifu wa muundo wa electrode; wakati huo huo, kaboni inaweza kukuza uundaji thabiti wa filamu ya SEI. Kwa hivyo, nyenzo za mchanganyiko zinazochanganya manufaa ya silikoni na kaboni huchukuliwa kuwa mojawapo ya viambatisho bora vya anodi kwa{18}}kizazi kijacho cha juu-nishati{20}}betri za lithiamu-ioni zenye msongamano.
SiO
Kando na silicon, monoksidi ya silicon (SiO) pia inachukuliwa kuwa nyenzo ya anodi ya kuteuliwa kwa betri za lithiamu-ioni kutokana na uwezo wake wa kinadharia unaozidi 1600 mA·h/g. Zaidi ya hayo, lithiamu-uratibu wa oksijeni unamaanisha mabadiliko madogo ya kiasi na nishati ya chini ya kuwezesha wakati wa malipo na usaji. Athari zinazowezekana za kielektroniki wakati wa mchakato huu ni pamoja na ubadilishaji wa SiO hadi Si na LiO, ikifuatiwa na uundaji wa silicon-aloi ya lithiamu na Li; au uundaji wa moja kwa moja wa silicon-aloi ya lithiamu na LixSiO2. Ni vyema kutambua kwamba SiO dhabiti safi haina uthabiti wa halijoto kwa halijoto yoyote na kwa hiyo inaweza kuoza na kuwa Si na SiO2 chini ya hali maalum kupitia mmenyuko usio na uwiano. Sawa na silicon, SiO hupitia upanuzi mkubwa wa kiasi au upunguzaji wakati wa kuingizwa na uchimbaji wa lithiamu. Zaidi ya hayo, SiO ina utendakazi duni, hivyo kusababisha kupungua kwa kasi kwa lithiamu{11}}ioni na viwango vya utokaji. Ili kushughulikia masuala haya, kuongeza uwezo unaoweza kubadilishwa, na kuboresha uthabiti wa mzunguko, watafiti wamegundua mikakati mbalimbali. Miongoni mwa haya, teknolojia ya mipako ya kaboni, upunguzaji wa electrochemical wa lithiamu katika SiO, na kupunguza ukubwa wa chembe ya SiO huzingatiwa hasa mbinu bora. Hasa, inapojumuishwa na chembe ndogo na mipako ya kaboni, njia ya uenezaji wa ioni za lithiamu inaweza kufupishwa kwa ufanisi, huku ikiboresha ufanisi wa upitishaji wa elektroni na ioni, na hivyo kushinda changamoto zilizotajwa hapo juu.
GE
Germanium imevutia umakini mkubwa katika utafiti wa nyenzo ya anode ya lithiamu{0}}ya lithiamu kutokana na uwezo wake wa juu wa kuhifadhi lithiamu (1623 mA·h/g) katika uwiano wa stoichiometric wa Liz2Ge5 na mchakato wake wa kutengenezea lithiamu na uchimbaji. Ingawa germanium ni ghali zaidi kuliko silicon na ina uwezo wa chini kidogo, ina faida kubwa, kama vile conductivity mara 10,000 ya silicon na pengo la bendi la eV 0.67 pekee. Uchunguzi umeonyesha kuwa kiwango cha uenezi wa ioni za lithiamu katika germanium ni mara 15 zaidi kuliko silicon katika digrii 360 na mara 400 kwa joto la kawaida. Sifa hizi huipa germanium utendaji bora wa juu{13}wa sasa wa kutokwa na malipo ya juu ya ufanisi. Utendaji huu wa{15}nguvu wa juu ni muhimu haswa kwa programu zinazohitaji{16}}utendaji wa juu wa nishati, kama vile magari ya umeme. Hata hivyo, sawa na silicon, germanium pia inakabiliwa na tatizo la upanuzi wa sauti wa hadi 300%, ambao umekuwa kikwazo kwa matumizi yake ya vitendo katika betri za lithiamu{19}}ioni. Kwa kutumia miundo ya muundo wa nano kama vile nanoparticles, nanowires, au nanotubes, athari mbaya ya mabadiliko ya sauti inaweza kupunguzwa kwa ufanisi, na hivyo kuboresha ufanisi wa coulombic. Inafaa kukumbuka kuwa utayarishaji wa nanoparticle ya germanium-compositive substrate conductive kwa kutumia mbinu rahisi kama vile{23}}state pyrolysis inaweza kuboresha zaidi utendakazi wa kielektroniki wa elektrodi.
SnO2
Tin dioksidi (SnO2), iliyotengenezwa awali na Fujifilm, imevutia watu wengi kama nyenzo hasi ya elektrodi kwa betri za lithiamu-ioni kutokana na uwezo wake wa juu wa kinadharia na volteji ya chini ya uendeshaji (takriban 0.6 eV, ikilinganishwa na LiLi). Katika mchakato wa mmenyuko wa electrochemical, kwanza hupitia hatua isiyoweza kurekebishwa, ambapo SnO2 inapunguzwa kwa bati ya metali (Sn) na oksidi ya lithiamu (LiO); baadaye, awamu inayoweza kutenduliwa hutokea, ikihusisha uundaji na mtengano wa-aloi ya lithiamu. Kinadharia, kila mole ya SnO2 inaweza kuguswa na 8.4 mol ya lithiamu, inayolingana na uwezo wa kinadharia wa 1491 mA·h/g. Hata hivyo, kwa kuzingatia urejeshaji wa chini wa majibu ya awali ya upunguzaji, katika matumizi ya vitendo, ni uwezo faafu pekee unaochangiwa na mchakato uliofuata wa aloyi/ugavi{11}}takriban 783 mA·h/g-huzingatiwa, na thamani hii hutumika kama uwezo wa kinadharia wa vitendo wa nyenzo za SnO2. Zaidi ya hayo, wakati wa mizunguko ya{16}}ya kutokeza, nyenzo hii hupanuka kwa kiasi kikubwa (zaidi ya 200%), na hivyo kusababisha upotevu mkubwa wa uwezo. Ili kufikia mwisho huu, watafiti wamejitolea kuboresha uthabiti wa baiskeli ya SnO2 na kupunguza upotezaji wa uwezo usioweza kutenduliwa kutokana na mabadiliko ya kiasi kupitia mbinu mbalimbali.