مواد أنود بطارية الليثيوم والمستقبل
بطارية ليثيوم أيون هي بطارية ثانوية قابلة لإعادة الشحن ، وتتكون بشكل أساسي من خمسة أجزاء رئيسية: قطب موجب ، قطب سالب ، إلكتروليت ، فاصل ومجمع تيار.
تتمثل الوظيفة الرئيسية لمواد الإلكترود الإيجابية والسلبية في جعل أيونات الليثيوم أكثر استخلاصًا / إدخالًا ، وذلك لتحقيق وظيفة الشحن والتفريغ.
أثناء عملية الشحن ، يتم استخراج أيونات الليثيوم من مادة القطب الموجب وإدخالها في مادة القطب السالب المقابلة من خلال الإلكتروليت. في الوقت نفسه ، تتدفق الإلكترونات من القطب الموجب عبر الدائرة الخارجية وتتدفق إلى القطب السالب ؛
عندما يتم تفريغ بطارية الليثيوم ، يتم استخراج أيونات الليثيوم من القطب السالب وإعادة دمجها في مادة القطب الموجب من خلال الإلكتروليت. في الوقت نفسه ، تتدفق الإلكترونات من القطب السالب إلى القطب الموجب عبر الدائرة الخارجية.
ما هي مادة الأنود لبطارية الليثيوم؟
مادة القطب السالب هي حاملة أيونات الليثيوم والإلكترونات في عملية شحن البطارية ، وتلعب دور تخزين الطاقة وإطلاقها. إنه أحد العوامل الرئيسية التي تحدد أداء بطاريات الليثيوم أيون وتحمل شريان الحياة لسلامة بطارية الطاقة.
يجب أن تحتوي مادة القطب السالب المثالية على الشروط السبعة التالية على الأقل
1. الإمكانات الكيميائية منخفضة ، وتشكل فرق جهد كبير مع مادة القطب الموجب ، وبالتالي الحصول على بطارية عالية الطاقة ؛
2. يجب أن يكون لها قدرة دورة محددة أعلى ؛
3. يجب إدخال Li + واستخراجه بسهولة في مادة القطب السالب ، وله كفاءة كولوم عالية ، بحيث يمكن أن يكون هناك شحنة وفولت تفريغ مستقر نسبيًا أثناء عملية استخراج Li + ؛
4. الموصلية الإلكترونية الجيدة والتوصيل الأيوني.
5. لديها استقرار جيد ودرجة معينة من التوافق مع الإلكتروليتات.
7. يجب أن يكون مصدر المواد غنيًا بالموارد ، وسعرًا منخفضًا ، وبسيطًا في عملية التصنيع ؛ آمنة وخضراء وخالية من التلوث.
مواد الأنود التي تستوفي الشروط المذكورة أعلاه غير موجودة في الوقت الحالي ، لذا فإن البحث عن مواد الأنود الجديدة ذات الكثافة العالية للطاقة وأداء السلامة الجيد والسعر المنخفض والمواد المتاحة بسهولة أصبحت مهمة ملحة ، وهو أيضًا موضوع ساخن في مجال أبحاث بطاريات الليثيوم في هذه المرحلة.
استكشاف ومستقبل مواد الأنود لبطاريات الليثيوم
تستخدم مادة الجرافين / الزركونيوم المركب من فوسفات الهيدروجين (ZrP) كمادة القطب السالب لبطارية الليثيوم ، والتي يمكنها التغلب على موصلية مواد البطارية.
تتميز مشاكل الخصائص الكهربائية الضعيفة والتأثيرات الخطيرة لتوسيع الحجم بخصائص ثبات الدورة القوي والموصلية الكهربائية القوية.
1. آلية تخزين الليثيوم لمركبات الجرافين / ZrP
1. سلوك تخزين الليثيوم لمواد الجرافين
يحتوي الجرافين على قنوات نقل أفضل للإلكترون والأيونات ، وهو أمر مفيد لتسريع معدل الشحن والتفريغ. عند استخدام الجرافين كمادة قطب سالب ، تكون صيغة التفاعل الكيميائي كما يلي:
على الرغم من أن الجرافين له معدل انتشار مرتفع لـ Li + وله قدرة عالية أثناء عملية الشحن والتفريغ الأولى عند استخدامه كمادة قطب كهربائي سالب لبطاريات الليثيوم ، فإن سعة الجرافين سوف تتلاشى بسرعة بعد عدة دورات كاملة للشحن والتفريغ ولا يمكن استخدامه بمفرده. مادة أنود بطارية الليثيوم ، وذلك لأن مادة الجرافين ستتفاعل مع إلكتروليت بطارية الليثيوم أثناء الشحن والتفريغ الأول ، وسيصبح سطح التلامس مع الإلكتروليت أكبر أثناء الدورة الكهربائية ، مما سيؤدي إلى تراكم الطبقات ، مما يؤدي إلى في اللارجعة وعدم الاستقرار. تخميل فيلم SEI ، في حين أن الجرافين المحضر سهل التكتل والتراكم بسبب الهيكل الرقائقي ، مما يجعل كفاءته الكولومبية منخفضة.
2. التأثير التآزري للمواد المركبة من الجرافين / ZrP
لا يمكن لمركب فوسفات الهيدروجين الزركونيوم والجرافين فقط تحسين توصيل البطارية وتحسين تأثير توسيع الحجم ، ولكن أيضًا لديه سعة تخزين جيدة لليثيوم ويمكن أن يزيد السعة المحددة للمادة المركبة. بالمقارنة مع مواد الكربون الأخرى ، يتميز الجرافين بمساحة كبيرة محددة ، وقوة ميكانيكية عالية ، وموصلية كهربائية جيدة. أظهرت الأبحاث التي أجريت على SnO 2 و FeSb 2 ومواد أخرى أن إدخال الجرافين يمكن أن يحسن أداءه الكهروكيميائي بشكل فعال.
2. مبدأ العمل لمركب الجرافين / ZrP
يتم تحضير مادة الجرافين / الزركونيوم المركبة من فوسفات الهيدروجين بالطريقة الحرارية المذابة ، والتي يمكن أن تجعل الجرافين الناتج يلتصق بسطح فوسفات الهيدروجين الزركونيوم في الموقع للحصول على فوسفات الهيدروجين الزركونيوم والمواد المركبة الجرافين. بعد التكليس ، يمكن أن يكون الجرافين في الزركونيوم ، فوسفات الهيدروجين ، يتم تشكيل شواغر الأكسجين في الشبكة البلورية ، وبالتالي زيادة عدد الناقلات وعيوب الشبكة ، وتحسين التوصيل. يتيح وجود الجرافين تكوين شبكة موصلة بين الجسيمات النانوية لفوسفات الهيدروجين الزركونيوم ، وهو أمر مفيد لتحسين التوصيل الكلي للمادة. في الوقت نفسه ، يتم استخدام الجرافين كغشاء مرن لطلاء سطح فوسفات الهيدروجين الزركونيوم ، والذي يمكن أن يخفف من تأثير تمدد الحجم أثناء عملية الشحن والتفريغ.
ثالثًا ، الاحتمالات المحتملة للمواد المركبة من الجرافين / ZrP
1. تتميز طريقة التحضير بخصائص التشغيل البسيط والسهل ، والتكاثر القوي ، والتكلفة المنخفضة وعدم تلوث البيئة ؛
2. يتم استخدام المادة المركبة من فوسفات الهيدروجين الزركونيوم والجرافين المحضرة بهذه الطريقة كمادة القطب السالب لبطارية الليثيوم ، والتي يمكن أن تتغلب على مشاكل التوصيل الضعيف للبطارية وتأثير التمدد الخطير للحجم ، وتتميز بخصائص استقرار الدورة القوي والموصلية القوية
3. نظرًا لأن الجرافين لديه موصلية عالية ومساحة سطح محددة كبيرة ، فإنه يمكن أن يحسن بشكل فعال موصلية المواد المركبة للبطارية ، وفي نفس الوقت ، يمكن لطلاء الجرافين أن يحسن بشكل فعال تأثير توسيع الحجم للمواد المركبة للبطارية ويحسن الأداء الكهروكيميائي من المواد المركبة للبطارية.
