Was sind die Klassifizierungen und Eigenschaften von Anodenmaterialien für Lithiumbatterien?

Die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien in ihrer Rolle als energiespeicher hängt von den bei ihrer Entwicklung verwendeten Anoden- und Kathodenmaterialien ab. Basierend auf der Chemie werden Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien in die folgenden Kategorien eingeteilt:

1.Graphitanoden – Graphit wird häufig in kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Es verfügt über eine Schichtstruktur, die die Einlagerung von Lithiumionen zwischen den Schichten während des Lade- und Entladevorgangs ermöglicht.

2. Übergangsmetalloxide – Zu den als Anodenmaterialien untersuchten Übergangsmetalloxiden gehören Titandioxid (TiO2) und Zinnoxid (SnO2).

3.Anoden auf Siliziumbasis – Die theoretische Kapazität von Silizium zur Speicherung von Lithiumionen ist hoch, ein Faktor, der es zu einer guten Alternative zu Graphit macht. Während der Extraktion und Einfügung von Lithium erfährt Silizium ein erhebliches Kontraktions- und Expansionsvolumen, was zu einer schlechten Zyklenstabilität führt.

4.Lithiummetallanoden – Lithiummetall ist ein vielversprechendes Anodenmaterial, da es das niedrigste Elektrodenpotential und die höchste theoretische Kapazität aufweist. Mögliche Kurzschlüsse und damit Sicherheitsrisiken aufgrund der Bildung dendritischer Lithiumablagerungen sind begrenzt.

5.Andere Legierungsanoden – um die Zyklenstabilität zu verbessern und Volumenänderungen abzumildern, kann das Legieren hilfreich sein. Zu den potenziellen Legierungsmaterialien, die als Anodenmaterialien verwendet werden, gehören Legierungen auf Germaniumbasis (Ge-Si) und Legierungen auf Zinnbasis (Sn-C, Sn-Co).

Eigenschaften von Anodenmaterialien für lithiumbatterien.

Kapazität: Je höher die Speicherkapazität von Anodenmaterialien ist, desto mehr Energie können sie speichern, was zu Batterien mit hoher Energiedichte führt.

Unter Zyklenstabilität versteht man die Fähigkeit eines Anodenmaterials, wiederholten Lade- und Entladezyklen ohne die Möglichkeit einer nennenswerten Verschlechterung standzuhalten.

3,2 V 20 A Niedertemperatur-LiFePO4-Batteriezelle -40 ℃ 3 C Entladekapazität ≥ 70 % Ladetemperatur: -20 ~ 45 ℃ Entladetemperatur : -40 ~ + 55 ℃ Akupunkturtest bestehen -40 ℃ maximale Entladerate: 3 C

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Rate-Fähigkeit – dies ist wichtig, wenn Anwendungen schnelles Laden und Entladen erfordern.

Sicherheitsanodenmaterialien mit weniger Instabilitätsproblemen und solchen, die weniger zur Dendritenbildung neigen, sorgen für einen sichereren Batteriebetrieb.

Volumenänderungen – während der Lithiumeinfügung und -extraktion behalten Materialien mit minimaler Volumenausdehnung und -kontraktion wahrscheinlich ihre strukturelle Integrität über Ladezyklen hinweg.

Leitfähigkeit – Der effiziente Transport von Ionen innerhalb der Elektrode wird durch die hohe ionische und elektronische Leitfähigkeit erleichtert.

Negative Elektrode auf Kohlenstoffbasis?

„Materialien auf Kohlenstoffbasis werden als Anoden (negative Elektroden) in Lithium-Ionen-Batterien verwendet, um niedrige Kosten, Stabilität und die Fähigkeit zur Interkalation von Lithiumionen zu gewährleisten.“ Das am weitesten verbreitete Material ist Graphit.

1.Graphitanoden – Graphit ist das am häufigsten verwendete Anodenmaterial, da es in Lithium-Ionen-Batterien mehrere Vorteile bietet. Zu den Vorteilen gehören: gute Zyklenstabilität, relativ sicher im Vergleich zu anderen Materialien, Kosteneffizienz, da Graphit reichlich vorhanden und kostengünstig ist, und eine gut etablierte Technologie zur Integration des Graphits in Batterieproduktionslinien. Mit Graphitanoden sind jedoch Einschränkungen verbunden, einschließlich einer begrenzten Kapazität im Vergleich zu Materialien wie Silizium und der Geschwindigkeitsfähigkeit, was bedeutet, dass sie möglicherweise nicht in der Lage sind, hohe Schnell- und Entladezyklen zu bewältigen.

2. Andere kohlenstoffbasierte Anoden – Forscher haben neben Graphit mehrere kohlenstoffbasierte Materialien untersucht, um die Anodenleistung zu verbessern.

Silizium-Graphit-Verbundwerkstoffe: Die Kombination von Graphit mit Silizium ist eine gute Möglichkeit, die hohe Kapazität von Silizium zu nutzen und gleichzeitig die Volumenänderungen durch Ausnutzung der Graphitstruktur abzumildern.

Graphen: Graphen ist eine einzelne Schicht, die Kohlenstoffatome enthält, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind. Aufgrund seiner elektrischen Leitfähigkeit und großen Oberfläche eignet es sich gut als Anodenmaterial.

Hohe Energiedichte bei niedriger Temperatur Robuster Laptop-Polymer-Akku Batteriespezifikation: 11,1 V 7800 mAh -40℃ 0,2C Entladekapazität ≥80% Staubdicht, sturzsicher, korrosionsbeständig, elektromagnetische Interferenz

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Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus aufgerollten Graphenschichten und bieten eine hohe mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit, wodurch die Anodenleistung verbessert wird.

Hartkohlenstoff speichert größere Mengen Lithium als Graphit und kann höhere Kapazitäten erreichen, obwohl er unter einer geringeren Leitfähigkeit leidet.

Kohlenstoffmaterialien ohne Graphit

Es wurde festgestellt, dass einige Nicht-Graphit-Materialien einzigartige Eigenschaften besitzen und als Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Sie bieten bessere Leistungseigenschaften als Graphit und die Forschung arbeitet weiterhin an der Verbesserung ihrer Zyklenstabilität und Energiedichte. Zu den Nicht-Graphit-Materialien gehören:

1.Kohlenstoffnanoröhren sind zylindrische Strukturen aus Graphenmaterialien mit hoher mechanischer Festigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und großer Oberfläche.?

2. Kohlenstoffnanofasern sind eine Form von Kohlenstoff mit einer faserigen Morphologie, die der von Kohlenstoffnanoröhren ähnelt. Ihre elektrische Leitfähigkeit ist gut und der Transport von Lithium-Ionen ist effizient.

3. Harter Kohlenstoff: Sie werden aus bestimmten Polymeren oder Biomasse gewonnen und haben eine amorphe Struktur. Ihre Struktur ermöglicht die Interkalation von Lithiumionen; Im Vergleich zu Graphit speichern sie mehr Lithium.

4. Kohlenstoffmikrosphären: Die Speicherkapazität dieser kugelförmigen Kohlenstoffpartikel ist gut, da ihre Morphologie gut definiert ist.

5.Mesoporöser Kohlenstoff: Die gut definierten Poren und die große Oberfläche bieten ausreichend Platz für die Lithium-Ionen-Speicherung und ermöglichen so eine effiziente Diffusion und eine ordnungsgemäße Batterieleistung.

6.Aktivkohle: Diese zeichnet sich durch ihre poröse Beschaffenheit und große Oberfläche aus und bietet eine gute reversible Speicherung von Lithiumionen, was sie zu einer guten Wahl macht, wenn die Geschwindigkeitsfähigkeit von entscheidender Bedeutung ist.

7. Kohlenstoff-Silizium-Verbundwerkstoffe: Kohlenstoff sorgt für eine verbesserte Leitfähigkeit und mechanische Unterstützung des Verbundwerkstoffs, da die Kombination von Kohlenstoff und Silizium die Stabilitäts- und Volumenänderungsprobleme mildert.

Nicht kohlenstoffbasierte negative Elektrode

Zu den bemerkenswerten Beispielen für nicht auf Kohlenstoff basierende Materialien, die als Anoden untersucht wurden, gehören:

1.Anoden auf Siliziumbasis: Die theoretische Kapazität von Silizium zur Speicherung von Lithiumionen ist hoch, was es zu einer guten Alternative zu Graphit macht. Während der Extraktion und Einfügung von Lithium erfährt Silizium ein erhebliches Kontraktions- und Expansionsvolumen, was zu einer schlechten Zyklenstabilität führt.

2. Zu den Metalloxidanoden gehören unter anderem Eisenoxid (Fe3O4) und Zinnoxid (SnO2), die zwar hohe Kapazitäten bieten, aber Probleme mit der Zyklenstabilität und eine schlechte Leitfähigkeit aufweisen.

3.Lithiummetallanoden: Lithiummetall hat das niedrigste Elektrodenpotential und die höchste theoretische Kapazität, was es zu einer guten Wahl für Anoden macht. Zu den Einschränkungen gehören jedoch Sicherheitsrisiken aufgrund von Kurzschlüssen beim Radfahren.

4.Legierungsanoden: Legierungsmaterialien tragen dazu bei, die Volumenänderungen während der Einfügung und Extraktion von Lithium abzumildern. Sie umfassen Legierungen auf Siliziumbasis und gleichen Stabilität, Geschwindigkeitsfähigkeit und Kapazität aus.

5. Anoden auf Schwefelbasis: Schwefel ist kostengünstig und relativ reichlich vorhanden und weist eine hohe theoretische Kapazität auf. Das aktive Anodenmaterial in Lithium-Schwefel-Batterien ist Schwefel.

6.Organische Anoden: Einige organische Verbindungen, wie verschiedene kohlenstoffbasierte Moleküle, wurden als Anodenmaterialien untersucht.

Abschluss

Die spezifischen Anforderungen einer Anwendung bestimmen die Wahl des zu verwendenden Anodenmaterials. Zu berücksichtigende Faktoren sind Kosten, Zyklenstabilität, Energiedichte und Sicherheit. Die Forschung und Neuentwicklungen in diesem Bereich werden fortgesetzt, da neue Materialien erforscht werden, um die bestehenden Herausforderungen zu verfeinern und zu mildern. Zu den Faktoren, die beim Entwurf kohlenstoffbasierter Anoden berücksichtigt werden müssen, gehören Kapazität und Stabilität, Elektrodenarchitektur, Verbundansätze, fortschrittliche Fertigung und Elektrolytkompatibilität.