លោហធាតុ-ប្រភេទវត្ថុធាតុអាណូត

ការរចនានៃអនាគតថ្មលីចូម-អ៊ីយ៉ុងត្រូវ​តែ​អាច​បំពេញ​តាម​តម្រូវ​ការ​នៃ​ឧបករណ៍​ប្រើប្រាស់​ថាមពល -ថាមពល-ខ្ពស់ ដូចជា​រថយន្ត​អគ្គិសនី​សុទ្ធ, ដោត-ក្នុង​រថយន្ត​អគ្គិសនី​កូនកាត់ និង​ប្រព័ន្ធ​ផ្ទុក​ថាមពល​នៅ​ស្ថានី។ សម្រាប់សមា្ភារៈ anode ប្រលោមលោកដែលកំពុងអភិវឌ្ឍ សមត្ថភាពគឺជាសូចនាករមួយនៃការអនុវត្តសំខាន់ៗ។ ដោយផ្អែកលើយន្តការប្រតិកម្មផ្សេងៗគ្នា សមា្ភារៈបេក្ខជនមួយចំនួនដែលមានសមត្ថភាពទ្រឹស្ដីខ្ពស់រួមមាន ស៊ីលីកុន (Si), ហ្ស៊ឺម៉ាញ៉ូម (Ge), ស៊ីលីកុនម៉ូណូអុកស៊ីត (SiO), សំណប៉ាហាំង (Sn) និងអុកស៊ីដរបស់វា (SnOz) ដែលមានសមត្ថភាពធម្មតាចាប់ពី 783 mA·g (សម្រាប់ SnOz) ដល់ 4211 mAh (Sih/Sih)។ ទោះបីជាសមា្ភារៈយ៉ាន់ស្ព័រទាំងនេះបង្ហាញពីគុណសម្បត្តិនៃសមត្ថភាពជាក់លាក់ខ្ពស់ជាងបើប្រៀបធៀបទៅនឹងក្រាហ្វិចប្រពៃណី (372 mA·bg) និងលីចូមទីតានត (LTO, 175 mA·Ng) ក៏ដោយ កម្រិតសំឡេងប្រែប្រួល និងការបាត់បង់សមត្ថភាពដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានដំបូងដែលពួកគេឆ្លងកាត់កំឡុងពេលសាកថ្ម និងការឆក់កំណត់អាយុកាលរបស់ពួកគេ។ ដើម្បីជម្នះបញ្ហាទាំងនេះ អ្នកស្រាវជ្រាវបានស្វែងយល់ពីយុទ្ធសាស្ត្រផ្សេងៗ ដូចជាការកាត់បន្ថយទំហំភាគល្អិតទៅជាខ្នាតណាណូ និងការព្យាយាមសាងសង់ប្រព័ន្ធសម្ភារៈសមាសធាតុដែលមានសមាសធាតុលីចូមលោហធាតុសកម្ម ឬអសកម្ម។ ក្នុងចំណោមវិធីសាស្រ្តទាំងនេះ ការរួមបញ្ចូលគ្នារវាងមាសលីចូមសកម្មជាមួយនឹងសម្ភារៈយ៉ាន់ស្ព័រដើម្បីបង្កើតជាស្រទាប់ខាងក្រោមសតិបណ្ដោះអាសន្នដែលមានលក្ខណៈ conductive បានបង្ហាញពីសក្តានុពលក្នុងការធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងនូវដំណើរការវដ្ត។ ជាងនេះទៅទៀត ការប្រើប្រាស់ morphologies ផ្សេងគ្នានៃ nanostructures ដូចជា nanowires ឬ nanotubes បានបង្ហាញឱ្យឃើញផងដែរថាជាវិធីសាស្រ្តដ៏មានប្រសិទ្ធភាពក្នុងការសម្រេចបាននូវវត្ថុធាតុ anode ដ៏ល្អដែលរួមបញ្ចូលគ្នានូវសមត្ថភាពខ្ពស់ អត្រាដំណើរការល្អ និងអាយុកាលវែង។

Si--សម្ភារៈ anode ដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន

ស៊ីលីកុន-សមា្ភារៈ anode ដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន ភាគច្រើនជាសារធាតុស៊ីលីកុន អុកស៊ីដស៊ីលីកុន និងសមាសធាតុស៊ីលីកុន/កាបូន។ ដោយសារតែសមត្ថភាពទ្រឹស្តីខ្ពស់ ភាពស្និទ្ធស្នាលបរិស្ថាន និងធនធានធម្មជាតិដ៏សម្បូរបែប ពួកវាត្រូវបានចាត់ទុកថាជាជម្រើសដ៏ល្អសម្រាប់ជំនាន់បន្ទាប់នៃ-ថាមពលខ្ពស់-ថាមពល-ដង់ស៊ីតេថ្មលីចូម-អ៊ីយ៉ុង anodes ។ អ្នកវិទ្យាសាស្ត្រចិនគឺជាអ្នកដំបូងគេក្នុងពិភពលោកដែលស្នើគំនិតនៃការប្រើប្រាស់ស៊ីលីកុនខ្នាតណាណូទៅនឹងថ្មលីចូម-អ៊ីយ៉ុង។ ដោយសារធនធានស៊ីលីកុនដ៏សម្បូរបែបរបស់ប្រទេសចិន និងពិភពលោក-សមត្ថភាពផលិតឈានមុខគេនៃសារធាតុស៊ីលីកុន ការបង្កើនកិច្ចខិតខំប្រឹងប្រែងស្រាវជ្រាវ និងអភិវឌ្ឍន៍លើសារធាតុស៊ីលីកុន-សារធាតុ anode ដែលមានមូលដ្ឋានលើស៊ីលីកុន និងការអនុវត្តន៍របស់ពួកគេនៅក្នុងថ្មលីចូម-អ៊ីយ៉ុងគឺមានសារៈសំខាន់ណាស់សម្រាប់ការធ្វើជាម្ចាស់លើបច្ចេកវិទ្យាសំខាន់ៗនៃអាគុយលីចូម - កម្រិតខ្ពស់នាពេលអនាគត -{12} ដំណើរការ 1

បើប្រៀបធៀបទៅនឹងសមា្ភារៈ graphite anode ប្រពៃណី ស៊ីលីកុនបង្ហាញពីសមត្ថភាពជាក់លាក់តាមទ្រឹស្តីខ្ពស់ជាង (4211 mA·h/g) និងសក្តានុពល delithiation ទាបជាង (0.5V)។ គួរកត់សម្គាល់ថាវ៉ុលប្រតិបត្តិការរបស់ស៊ីលីកុនគឺខ្ពស់ជាងក្រាហ្វិចបន្តិច។ រូបភាពទី 5-9 បង្ហាញពីការរៀបចំអាតូមិកជាក់លាក់នៅក្នុងគ្រីស្តាល់ស៊ីលីកុន។ កំឡុងពេលសាកថ្ម ការប្រើស៊ីលីកុនជា anode អាចកាត់បន្ថយការបិត lithium លើផ្ទៃ ដោយហេតុនេះធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវសុវត្ថិភាពថ្ម។ លើសពីនេះទៀតស៊ីលីកុនមានច្រើនក្រៃលែងនិងមានតំលៃថោក។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ការប្រើប្រាស់ស៊ីលីកុនទៅនឹងថ្មលីចូម-អ៊ីយ៉ុង anodes ក៏បង្ហាញពីបញ្ហាប្រឈមមួយចំនួនផងដែរ។ ក្នុងនាមជាសម្ភារៈ semiconductor ស៊ីលីកុនមានចរន្តមិនល្អ។ បន្ទាប់ពីការសាកថ្មច្រើន-វដ្តនៃការបញ្ចោញ ការផ្លាស់ប្តូរកម្រិតសំឡេងដ៏សំខាន់ដែលបណ្តាលមកពីការបញ្ចូល និងការបញ្ចេញអ៊ីយ៉ុងលីចូមអាចនាំឱ្យខូចសម្ភារៈ ប៉ះពាល់ដល់ស្ថិរភាពរចនាសម្ព័ន្ធ និងអាចបណ្តាលឱ្យមានការបំបែកសារធាតុសកម្មចេញពីឧបករណ៍ប្រមូលបច្ចុប្បន្ន ប៉ះពាល់យ៉ាងធ្ងន់ធ្ងរដល់អាយុជីវិតរបស់ថ្ម។ លើសពីនេះ ការពង្រីកបរិមាណនេះក៏រារាំងការបង្កើតខ្សែភាពយន្តរឹងដែលមានស្ថេរភាព និងមានប្រសិទ្ធភាព (SED) នៅលើផ្ទៃស៊ីលីកុនផងដែរ។ ការបែកខ្ចាត់ខ្ចាយស៊ីលីកុនសុទ្ធ ឬសមាសធាតុរបស់វានៅក្នុងម៉ាទ្រីសកាបូនអាចកាត់បន្ថយបញ្ហាទាំងនេះបានខ្លះ៖ នៅលើដៃម្ខាង វាធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវចរន្តអេឡិចត្រូនិចទាំងមូលនៃសម្ភារៈសមាសធាតុ។ ម្យ៉ាងវិញទៀត វត្តមានកាបូនជួយបន្ថយភាពតានតឹងដែលបណ្តាលមកពីការផ្លាស់ប្តូរបរិមាណស៊ីលីកុន កាត់បន្ថយការខូចខាតដល់រចនាសម្ព័ន្ធអេឡិចត្រូត។ ក្នុងពេលដំណាលគ្នា កាបូនអាចជំរុញការបង្កើតស្ថេរភាពនៃខ្សែភាពយន្ត SEI ។ ដូច្នេះ សមា្ភារៈផ្សំដែលរួមបញ្ចូលគ្នានូវគុណសម្បត្តិនៃស៊ីលីកុន និងកាបូនត្រូវបានចាត់ទុកថាជាជម្រើសដ៏ល្អមួយសម្រាប់អាគុយលីចូម-អ៊ីយ៉ុងដែលមានដង់ស៊ីតេខ្ពស់-ជំនាន់បន្ទាប់។

ស៊ីអូ

ក្រៅពីស៊ីលីកុន ស៊ីលីកុនម៉ូណូអុកស៊ីត (SiO) ក៏ត្រូវបានចាត់ទុកថាជាសម្ភារៈ anode បេក្ខជនសម្រាប់អាគុយលីចូម-អ៊ីយ៉ុង ដោយសារសមត្ថភាពទ្រឹស្តីរបស់វាលើសពី 1600 mAh/g ។ លើសពីនេះ លីចូម-ការសំរបសំរួលអុកស៊ីហ្សែនបង្កប់ន័យការផ្លាស់ប្តូរបរិមាណតិច និងថាមពលនៃការធ្វើឱ្យសកម្មទាបកំឡុងពេលសាកថ្ម និងបញ្ចេញថាមពល។ ប្រតិកម្មគីមីដែលអាចកើតមានក្នុងអំឡុងពេលដំណើរការនេះរួមមានការបំប្លែង SiO ទៅ Si និង LiO អមដោយការបង្កើតស៊ីលីកុន-យ៉ាន់ស្ព័រលីចូមជាមួយលី។ ឬការបង្កើតដោយផ្ទាល់នៃស៊ីលីកុន-លោហធាតុលីចូម និង LixSiO2។ គួរកត់សម្គាល់ថា SiO រឹងសុទ្ធគឺមិនស្ថិតស្ថេរនៅសីតុណ្ហភាពណាមួយឡើយ ហើយដូច្នេះអាចបំបែកទៅជា Si និង SiO2 ក្រោមលក្ខខណ្ឌជាក់លាក់តាមរយៈប្រតិកម្មមិនសមាមាត្រ។ ស្រដៀងទៅនឹងស៊ីលីកុន SiO ឆ្លងកាត់ការពង្រីកបរិមាណដ៏សំខាន់ ឬការកន្ត្រាក់អំឡុងពេលបញ្ចូល និងទាញយកលីចូម។ លើសពីនេះ SiO មានចរន្តអគ្គិសនីខ្សោយ ដែលបណ្តាលឱ្យមានអត្រាការហូរចូល និងអ៊ីយ៉ុងលីចូមយឺត។ ដើម្បីដោះស្រាយបញ្ហាទាំងនេះ បង្កើនសមត្ថភាពបញ្ច្រាស និងកែលម្អស្ថេរភាពនៃវដ្ត អ្នកស្រាវជ្រាវបានស្វែងរកយុទ្ធសាស្ត្រផ្សេងៗ។ ក្នុងចំណោមទាំងនេះ បច្ចេកវិទ្យានៃការស្រោបកាបូន ការកាត់បន្ថយអេឡិចត្រូគីមីនៃលីចូមនៅក្នុង SiO និងការកាត់បន្ថយទំហំភាគល្អិត SiO ត្រូវបានចាត់ទុកថាជាវិធីសាស្រ្តដ៏មានប្រសិទ្ធភាពជាពិសេស។ ជាពិសេស នៅពេលដែលរួមបញ្ចូលគ្នាជាមួយភាគល្អិតតូចៗ និងថ្នាំកូតកាបូន ផ្លូវនៃការសាយភាយនៃអ៊ីយ៉ុងលីចូមអាចត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងមានប្រសិទ្ធភាព ខណៈពេលដែលការកែលម្អប្រសិទ្ធភាពនៃការដឹកនាំអេឡិចត្រុង និងអ៊ីយ៉ុង ដោយហេតុនេះអាចយកឈ្នះលើបញ្ហាប្រឈមដែលបានរៀបរាប់ខាងលើ។

GE

Germanium បានទាក់ទាញការយកចិត្តទុកដាក់យ៉ាងសំខាន់នៅក្នុងការស្រាវជ្រាវសម្ភារៈអាគុយលីចូម អ៊ីយ៉ុង ដោយសារតែសមត្ថភាពផ្ទុកលីចូមខ្ពស់ (1623 mA·h/g) នៅសមាមាត្រ Liz2Ge5 stoichiometric និងដំណើរការបញ្ចូល និងដកថ្មលីចូមដែលអាចបញ្ច្រាស់បាន។ ទោះបីជា germanium មានតម្លៃថ្លៃជាងស៊ីលីកុន និងមានសមត្ថភាពទាបជាងបន្តិចក៏ដោយ វាមានគុណសម្បត្តិសំខាន់ៗ ដូចជាចរន្ត 10,000 ដងនៃស៊ីលីកុន និងគម្លាតក្រុមត្រឹមតែ 0.67 eV ប៉ុណ្ណោះ។ ការសិក្សាបានបង្ហាញថាអត្រានៃការសាយភាយនៃអ៊ីយ៉ុងលីចូមនៅក្នុង germanium គឺ 15 ដងលឿនជាងស៊ីលីកុននៅ 360 ដឺក្រេនិង 400 ដងលឿនជាងនៅសីតុណ្ហភាពបន្ទប់។ លក្ខណៈសម្បត្តិទាំងនេះផ្តល់ឱ្យ germanium ល្អឥតខ្ចោះ-ការអនុវត្តការហូរចេញបច្ចុប្បន្ន និងប្រសិទ្ធភាពនៃការដឹកជញ្ជូនបន្ទុកខ្ពស់ជាង។ ប្រសិទ្ធភាពថាមពល-ខ្ពស់នេះមានសារៈសំខាន់ជាពិសេសសម្រាប់កម្មវិធីដែលទាមទារថាមពល-ប្រសិទ្ធភាពខ្ពស់ ដូចជារថយន្តអគ្គិសនីជាដើម។ ទោះជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ស្រដៀងទៅនឹងស៊ីលីកុន ហ្រ្គេនញ៉ូមក៏ប្រឈមនឹងបញ្ហានៃការពង្រីកបរិមាណរហូតដល់ 300% ដែលបានក្លាយជាឧបសគ្គចំពោះការអនុវត្តជាក់ស្តែងរបស់វានៅក្នុងថ្មលីចូម{19}}អ៊ីយ៉ុង។ តាមរយៈការប្រើប្រាស់ការរចនារចនាសម្ព័ន្ធ nano ដូចជា nanoparticles, nanowires ឬ nanotubes ផលប៉ះពាល់អវិជ្ជមាននៃការផ្លាស់ប្តូរបរិមាណអាចត្រូវបានកាត់បន្ថយយ៉ាងមានប្រសិទ្ធភាព ដោយហេតុនេះធ្វើអោយប្រសើរឡើងនូវប្រសិទ្ធភាព coulombic ។ គួរកត់សំគាល់ថា ការរៀបចំនៃសារធាតុ germanium nanoparticles-សមាសធាតុនៃស្រទាប់ខាងក្រោម conductive ដោយប្រើវិធីសាស្រ្តសាមញ្ញដូចជា solid-state pyrolysis អាចបង្កើនប្រសិទ្ធភាពដំណើរការគីមីនៃអេឡិចត្រូតបន្ថែមទៀត។

SnO2

Tin dioxide (SnO2) ដែលបង្កើតដំបូងដោយ Fujifilm បានទាក់ទាញការយកចិត្តទុកដាក់យ៉ាងទូលំទូលាយជាសម្ភារៈអេឡិចត្រូតអវិជ្ជមានសម្រាប់អាគុយលីចូម-អ៊ីយ៉ុង ដោយសារសមត្ថភាពទ្រឹស្តីខ្ពស់ និងវ៉ុលប្រតិបត្តិការទាប (ប្រហែល 0.6 eV ទាក់ទងទៅនឹង LiLi)។ នៅក្នុងដំណើរការប្រតិកម្មគីមី ជាដំបូងវាឆ្លងកាត់ដំណាក់កាលដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានដោយផ្នែក ដែល SnO2 ត្រូវបានកាត់បន្ថយទៅជាសំណប៉ាហាំងលោហធាតុ (Sn) និងលីចូមអុកស៊ីដ (LiO); ជាបន្តបន្ទាប់ ដំណាក់កាលដែលអាចបញ្ច្រាស់បានកើតឡើង ដែលពាក់ព័ន្ធនឹងការបង្កើត និងការរលួយនៃសំណប៉ាហាំង-លីចូម។ តាមទ្រឹស្តី ម៉ូលនីមួយៗនៃ SnO2 អាចប្រតិកម្មជាមួយនឹង 8.4 mol នៃលីចូម ដែលត្រូវនឹងសមត្ថភាពទ្រឹស្តី 1491 mA·h/g ។ ទោះបីជាយ៉ាងណាក៏ដោយ ដោយសារភាពបញ្ច្រាសទាបនៃប្រតិកម្មកាត់បន្ថយដំបូង ក្នុងការអនុវត្តជាក់ស្តែង មានតែសមត្ថភាពដែលមានប្រសិទ្ធភាពដែលរួមចំណែកដោយដំណើរការយ៉ាន់ស្ព័រ/ការចែកចាយជាបន្តបន្ទាប់-ប្រហែល 783 mA·h/g-ជាធម្មតាត្រូវបានពិចារណា ហើយតម្លៃនេះត្រូវបានប្រើជាសមត្ថភាពទ្រឹស្តីជាក់ស្តែងនៃសម្ភារៈ SnO2 ។ លើសពីនេះ ក្នុងអំឡុងពេលនៃការគិតថ្លៃ{16}}វដ្តនៃការបង្ហូរ សម្ភារៈនេះឆ្លងកាត់ការពង្រីកបរិមាណដ៏សំខាន់ (លើសពី 200%) ដែលនាំឱ្យបាត់បង់សមត្ថភាពធ្ងន់ធ្ងរ។ ដល់ទីបញ្ចប់នេះ អ្នកស្រាវជ្រាវត្រូវបានឧទ្ទិសដល់ការកែលម្អស្ថេរភាពនៃការជិះកង់របស់ SnO2 និងកាត់បន្ថយការបាត់បង់សមត្ថភាពដែលមិនអាចត្រឡប់វិញបានដោយសារតែការផ្លាស់ប្តូរបរិមាណតាមរយៈវិធីសាស្រ្តផ្សេងៗ។