ההנעה המהירה של תחבורה, אלקטרוניקה ניידת, ואבטחת אנרגיה בקנה מידה רשת הציבה דרישות חסרות תקדים בביצוע סוללות ליתיום-יון נשלטים על המגזרים האלה במשך עשרות שנים, צפיפות האנרגיה הבסיסית שלהם וחיי מחזור מוגבלים על ידי המאפיינים של חומרים אלקטרודה קונבנציונליים.פרצות האחרונות בלחמת כימאים קטודות הם מכווצים להתגבר על מגבלות אלה, סוללות מבטיחות מהר יותר, אחרון, וחנות יותר אנרגיה זו.

קידום טכנולוגיית סוללות חיוני לשיפור הביצועים של מכשירים אלקטרוניים, כלי רכב חשמליים ומערכות אחסון אנרגיה מתחדשת מתמקד בפיתוח חומרי שרפה וקטודה חדשים כדי לשפר את היכולת והיציבות של סוללות.

הבנת סוללות

סוללה טיפוסית של טעינה מורכבת משלושה מרכיבים עיקריים: ה aode, Cathode, ו אלקטרוליטטה. aode, בדרך כלל עשוי גרפיט, הוא שבו חמצון מתרחשת במהלך השחרור. the Cathode, לעתים קרובות מורכב מ תחמוצת מתכת, מקבל אלקטרונים במהלך התהליך. אלקטרוליט מאפשר העברה בין אלקטרודות אלה.

חידושים ב-Anode Materials

סוללות ליתיום מסורתיות להשתמש גרפיט כמו aode, אשר intercalates ליתיום ions בין שכבות גרפן ביכולת תיאורטית של 372 mAh / g, בעוד גרפיט מציע יציבות מעולה ועלות נמוכה, היכולת שלו צנוע יחסית חלופות מתעוררות. שני סוגים של חומרים - silicon ו ליתיום מתכת - יש למשוך מחקר אינטנסיבי בגלל היכולות התיאורטיות הרבה יותר שלהם.

זוועות הסיליקון

הסיליקון יכול לארח עד 4.4 אטומי ליתיום לכל אטום סיליקון, הניב יכולת תיאורטית של 4,200 mAh/g, בערך 10 פעמים של גרפיט.יכולת יוצאת דופן זו יכולה להגדיל באופן דרמטי את צפיפות האנרגיה של תאים אם ממושמע בהצלחה.עם זאת, סיליקון עובר התרחבות נפח מסיבי (עד 300%) במהלך ההצתה, המוביל לפצח, אובדן מגע, ואובדן של מנגנונים קשיחים, מנגנונים חד-אלקטרוניים (SE) במהירות.

החוקרים פיתחו כמה אסטרטגיות כדי להפחית את האתגרים הללו.ננוור - באמצעות ננווטים סיליקון, חלקיקים או מבנים ⁇ - לחנך שינוי נפח מוחלט ולאגור זנים ללא שבר. Composite אלקטרודות המשלבות סיליקון עם פחמן או מטבוליות אחרות סיליקון נשמרות ב- סיליקון אלקטרודות מכנית וטכניקות למניעת בידוד אלקטרוני יכולות לפצות על אובדן ראשוני של ליתיום עקב היווצרות SEI, לדוגמה:0Fte2 לא ניתן להוכיח את התקני סיליקון עם קיבולת חשמלית יציבה:2, אם כי אם כי אם כיוריד 5.

Lithium Metal Anodes

ליתיום מתכת anodes מציעים את היכולת התיאורטית האולטימטיבית של 3,860 mAh /g ואת הפוטנציאל אלקטרוכימי הנמוך ביותר (-3.04 V לעומת SHE) הצבת גרפיט עם מתכת ליתיום יאפשר ליתיום-אוויר, ליתיום-סולפור, סוללות מוצקות-מדינה עם רמות אנרגיה גבוהות במיוחד.

(הקדמה האחרונה בהנדסה אלקטרוליטית - באמצעות אלקטרוליטים ריכוז גבוה, מפולנים, מחזורים או נוזלי ionic - יכול לדכא היווצרות dendrite על ידי קידום מינוף אחיד. Solid אלקטרוליטים, הן קרמיקה (למשל, LLZO, LATP) ו- פולימריאום מבוסס, חסום את הצמיחה מכנית תוך מתן התנהגות איתודית גבוהה.

חומרים חדשים

(ב) ⁇ (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

התקדמות בחומרי Cathode

(החומרים של קתודי) יש ביצועים מוגבלים מבחינה היסטורית בשל יכולות ספציפיות בעלות גבוהה יותר, קטודות מסורתיות כוללות את תחמוצת ההנעה של ליקואווראט (LiCoOphFLT:02earFLT:1), שכבת mAh/g), לימוזינה של ליתיום (Lithium Manganese ⁇ ) Lgium-160/FLT:2FLT 3,4063R.

Lithium-Rich Layered Oxides

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

High-Voltage Spinelsels

(ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניקל-ריץ' NMC ו- Alternatives

(ה) ⁇ (=0) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

השפעה על יכולת סוללה ויציבות

השילוב של חומרי אגד וקטודה חדשניים יש פוטנציאל לשפר באופן משמעותי את יכולת הסוללה, ומאפשר למכשירים לרוץ יותר זמן בין טעינות.בנוסף, חומרים אלה יכולים לשפר את היציבות, הפחתת יכולת הדהמה על פני מחזורים מרובים.יציבות מוגברת חשובה במיוחד עבור כלי רכב חשמליים ואבטחת רשת, שבו אמינות ארוכת טווח היא חיונית.

כדי לממש את היתרונות באופן מלא, את aode ו Cathode חייב להיות מחובר כראוי. a-capacity סיליקון aode עם NMC Cathode קונבנציונלי יכול להניב תא עם 350 Wh / ק"ג, אבל יעילות הקומפוביה הראשונית של aode (ICE) ושינויים בנפח חייב להיות מאוזנת עם יציבות של קטודה.

שיפור יכולת

שרידי הסיליקון לבדם יכולים להגביר את יכולת הode על ידי גורם של 3-5 בהשוואה לגרף.כאשר בשילוב עם מחזורי קטיפה גבוהה כמו ליתיום עשיר oxides, מלא תאי אנרגיה של 400-500 Wh / ק"ג הופכים להיות מפוענחים (כמו גם) החלפת קטו עם ניקל עשיר NMCNMO מגביר את התא או את יכולת המתכת בהתאמה, לדוגמה של Wde 200 / ק"ג) ו-41 (R) עם תאים חשמליים).

אתגרים ופתרונות

(ה) לעיתים קרובות מגיעה עלות ההתרחבות המצומצמת של הכרך ב-Aodes מובילה לעייפות מכנית; קטודות גבוהות מאיצה את הפירוק אלקטרוליטי; ותופעות הלוואי של ממשקים לצרוך ליתיום (התעשייה מתייחסת לבעיות אלה באמצעות גישות מרובות: (1) אופטימיזציה לדלקתית (אפקטיבית) של תאים חשמליים ו-LVerlipherte) מגבירה את יכולת האלקטרוליטית גבוהה של תאים:

יציבות כוללת גם בטיחות.ניקל-עשירי קטודות יכול לשחרר חמצן בטמפרטורות גבוהות, בעוד שרידות מתכת ליתיום נוטות לרוץ תרמי.מערכות חומר חדשות חייבות לעבור בדיקות מהתעללות קפדניות.פיתוח חומרים בטוחים באופן לא מהותי - כגון גרנט אלקטרוליטים מוצקים או LiFePOFLT:04FLT:1 Cathodes - הן בגדר מטרה פעילה אפילו כמטרות מחקר.

תחזית עתיד ומסחר

ככל שהמחקר מתקדם, אנו יכולים לצפות לראות סוללות מסחריות המשלבות חומרים מתקדמים אלה בעשור הבא.המשך החדשנות יהיה מפתח לעמוד בדרישות האנרגיה הצומחות של החברה המודרנית תוך שמירה על בטיחות וקיימות.

כמה מגמות יעצבו את העשור הבא של חומרי סוללות.סיליקון שרידים כבר בייצור מוגבל - אזורים כמו Sila ננולוגים ו- Group14 Technologies לספק חומרים סיליקון-קרקעיים עבור מוצרי אלקטרוניקה צרכניים וכלי רכב חשמליים.עד 2025–2027, אנו עשויים לראות סיליקון-graphite תערובת עם 50% תוכן סיליקון מגיע 400h / ק"ג אנרגיה ברמת תאים.

(ב) תגלית של בינה מלאכותית ובדיקת חומרים גבוהה (FLT:0a 2020 נייר ב-FLT:1:2earFLT 3) משתמשים במכונות כדי לזהות אלקטרוליטים מוצקים חדשים עבור סוללות ליתיום.

שיקולים של קיימות גם מניעים מחקר.קטות ללא קובלט (למשל, LiFeigsFLT:04cioFLT:1, LNMO, ו חומרים עשירים ליתיום מבוסס מניגנזי) להפחית את החששות הסביבתיים והאתיים. Recycling of high-capacity חומרים מציב אתגרים חדשים: סיליקון ו-ium מתכת הם קשים יותר לתהליכים החלים מסוללות עתידיות.

בסופו של דבר, ההשפעה של חומרי ode ו- Cathode חדשים תימדד לא רק על ידי רווחי יכולת, אלא על ידי היכולת לשמור על יציבות מעל אלפי מחזורים בתנאים בעולם האמיתי.הסינרגיה בין חומרים מתקדמים ומערכות ניהול סוללות חכמות תהיה קריטית.