Etorkizunaren diseinualitio{0}}ioizko bateriak-energia asko kontsumitzen duten-gailuen eskaerei erantzuteko gai izan behar dute, hala nola ibilgailu elektriko hutsak, ibilgailu elektriko hibridoak entxufatuak- eta energia biltegiratzeko sistema geldikorrak. Garatzen ari diren anodo-material berrientzat, gaitasuna da errendimendu-adierazle nagusietako bat. Erreakzio-mekanismo ezberdinetan oinarrituta, gaitasun teoriko handiko material hautagai batzuk honako hauek dira: silizioa (Si), germanioa (Ge), silizio monoxidoa (SiO), eztainua (Sn) eta bere oxidoa (SnOz), 783 mA·g (SnOz-rako) eta 4211 mA·h/g (Si-rako) ohiko ahalmenekin. Aleazio-material hauek gaitasun espezifikoko abantailak erakusten dituzten arren, grafito tradizionalarekin (372 mA·bg) eta litio titanatoarekin (LTO, 175 mA·Ng) alderatuta, bolumen-aldaketek eta karga eta deskargan zehar jasaten duten hasierako gaitasun-galerak mugatzen dute haien bizi-iraupena. Arazo horiek gainditzeko, ikertzaileek hainbat estrategia aztertu dituzte, hala nola, partikulen tamaina nanoeskalara murriztea eta litiozko osagai aktibo edo inaktiboak dituzten material konposatu sistemak eraikitzen saiatzea. Metodo horien artean, litio-urre aktiboa aleazio-materialekin konbinatuz, tampon eroaleko substratu bat osatzeko, zikloaren errendimendua hobetzeko potentziala erakutsi du. Gainera, nanoegituren morfologia desberdinak erabiltzea, hala nola nanohariak edo nanohodiak, ahalmen handia, errendimendu ona eta ziklo-bizitza luzea uztartzen dituzten anodo-material idealak lortzeko ikuspegi eraginkorra ere frogatu da.
Si--Silizioan oinarritutako anodo-materialak
Silizio-oinarritutako anodoen materialak silizio hutsez, silizio oxidoz eta silizio/karbono konpositez osatuta daude batez ere. Ahalmen teoriko handia, ingurumena errespetatzen duten eta erreserba natural ugariak direla eta, hurrengo -belaunaldiko-energia-dentsitate handiko-dentsitateko- litio-ioizko bateria anodoetarako aukera aproposatzat hartzen dira. Txinako zientzialariak izan ziren litio-ioizko bateriei nanoeskalako silizioa aplikatzeko kontzeptua proposatu zuten lehenak. Txinako silizio-baliabide ugariak eta munduko-silizio elementalaren ekoizpen-ahalmen nagusia, silizio-oinarritutako anodo materialei buruzko ikerketa- eta garapen-esfortzuak areagotzea eta horiek litio-ioi-ioietako baterietan aplikatzea oso garrantzitsua da etorkizuneko -errendimendu handiko litio- baterien teknologia nagusiak menderatzeko.
Grafitozko anodoko materialen ohikoekin alderatuta, silizioak gaitasun espezifiko teoriko handiagoa (4211 mA·h/g) eta delitiazio potentzial nahiko txikiagoa (0,5V) erakusten du. Nabarmentzekoa, silizioaren funtzionamendu-tentsioa grafitoarena baino apur bat handiagoa da. 5-9 irudiak silizio-kristal baten antolamendu atomiko espezifikoa erakusten du. Kargatzean, anodo gisa silizioa erabiltzeak gainazaleko litio-estaldura murrizten du, eta horrela bateriaren segurtasuna hobetzen du. Gainera, silizioa ugaria eta merkea da. Hala ere, litio-ioizko bateria anodoei silizioa aplikatzeak zenbait erronka ere baditu. Material erdieroale gisa, silizioak eroankortasun eskasa du. Hainbat karga-deskarga-zikloren ondoren, litio-ioiaren sartzeak eta askapenak eragindako bolumen-aldaketa nabarmenek materiala haustura ekar dezakete, egitura-egonkortasuna eragin eta material aktiboa uneko kolektoretik bereiztea eragin dezaketelarik, bateriaren zikloaren bizitzan eragin handia izan dezaten. Gainera, bolumen-hedapen honek silizioaren gainazalean-solido-egoeraren elektrolito-interfazea (SED) film egonkor eta eraginkorra eratzea oztopatzen du. Silizio purua edo haren konposatuak karbono-matrize batean uniformeki barreiatzeak arazo hauek arin ditzake neurri batean: alde batetik, material konposatuaren eroankortasun elektroniko orokorra hobetzen du; bestetik, karbonoaren presentziak silizio bolumen-aldaketek eragindako tentsioa arintzen laguntzen du, elektrodoen egituran kalteak murrizten ditu; aldi berean, karbonoak SEI filmaren eraketa egonkorra susta dezake. Hori dela eta, silizioaren eta karbonoaren abantailak konbinatzen dituzten material konposatuak hurrengo-energia-energia-dentsitate handiko-belaunaldiko litio-ioizko bateriek egiteko anodo hautagai ezin hobeenetako bat da.
SiO
Silizioaz gain, silizio monoxidoa (SiO) anodo-material hautagaitzat hartzen da litio -ioietako baterietarako, 1600 mA·h/g gainditzen duen ahalmen teorikoa dela eta. Gainera, litio-oxigenoaren koordinazioak bolumen aldaketa txikiagoak eta aktibazio-energia txikiagoak dakar karga eta deskargan zehar. Prozesu honetan zehar erreakzio elektrokimiko potentzialak SiO Si eta LiO bihurtzea, eta ondoren Li-rekin silizio-litio-aleazio bat sortzea; edo silizio-litio-aleazio eta LixSiO2 baten eraketa zuzena. Aipagarria da SiO solido purua termodinamikoki ezegonkorra dela edozein tenperaturatan eta, beraz, baldintza zehatzetan Si eta SiO2tan deskonposa daitekeela desproportzio erreakzio baten bidez. Silizioaren antzera, SiO-k bolumen hedapen edo uzkurdura handia jasaten du litioa sartzean eta erauzketan. Gainera, SiO-k eroankortasun eskasa du, eta, ondorioz, litio-ioi-sarrera eta irteera-tasa motelak izaten dira. Arazo horiei aurre egiteko, ahalmen itzulgarria hobetzeko eta zikloaren egonkortasuna hobetzeko, ikertzaileek hainbat estrategia aztertu dituzte. Horien artean, karbono estaldura teknologia, litioaren murrizketa elektrokimikoa SiO-n eta SiO partikulen tamaina murriztea ikuspegi bereziki eraginkortzat hartzen dira. Bereziki, partikula txikiagoekin eta karbono-estaldurarekin konbinatuta, litio-ioien difusio-bidea modu eraginkorrean laburtu daiteke, elektroi eta ioi-eroapen-eraginkortasuna hobetzen duen bitartean, aipatutako erronkak gaindituz.
GE
Germanioak arreta handia erakarri du litio-ioietako bateriaren anodoen materialen ikerketan, litio biltegiratze-ahalmen handia duelako (1623 mA·h/g) Liz2Ge5 erlazio estekiometrikoan eta litio itzulgarriaren txertatze- eta erauzketa-prozesuagatik. Germanioa silizioa baino garestiagoa den eta ahalmen apur bat txikiagoa duen arren, abantaila nabarmenak ditu, hala nola, silizioa baino 10.000 aldiz eroankortasuna eta 0,67 eV-ko banda hutsunea. Ikerketek frogatu dute germanioan litio ioien difusio-tasa silizioan baino 15 aldiz azkarragoa dela 360 gradutan eta 400 aldiz azkarragoa giro-tenperaturan. Propietate horiei esker, germanioaren -korronte deskargaren errendimendu bikaina eta karga garraiatzeko eraginkortasun handiagoa. Potentzia handiko-errendimendu hori bereziki garrantzitsua da-errendimendu handiko potentzia irteera behar duten aplikazioetarako, hala nola ibilgailu elektrikoak. Hala ere, silizioaren antzera, germanioak bolumenaren % 300erainoko hedapen arazoari ere aurre egiten dio, eta hori oztopo bihurtu da litio-ioietako baterietan aplikatzeko. Nanoegituraren diseinuak erabiliz, hala nola, nanopartikulak, nanoharriak edo nanohodiak, bolumen-aldaketen eragin negatiboa modu eraginkorrean arindu daiteke, eta, horrela, eraginkortasun coulombikoa hobetu daiteke. Azpimarratzekoa da germanio nanopartikulen-substratu eroaleen konpositeak prestatzeak,-egoera solidoko pirolisia bezalako metodo sinpleak erabiliz, elektrodoen errendimendu elektrokimikoa gehiago optimizatu dezakeela.
SnO2
Eztain dioxidoak (SnO2), hasiera batean Fujifilm-ek garatutakoa, arreta zabala erakarri du litio--ioietako baterientzako elektrodo negatiboen material gisa, gaitasun teoriko handia eta funtzionamendu-tentsio baxua duelako (0,6 eV inguru, LiLiarekiko). Erreakzio elektrokimikoko prozesuan, lehenik eta behin partzialki atzeraezina den urrats bat jasaten du, non SnO2 eztain metalikora (Sn) eta litio oxidora (LiO) murrizten den; ondoren, fase itzulgarri bat gertatzen da, eztain-litio-aleazioaren eraketa eta deskonposizioa. Teorian, SnO2 mol bakoitzak 8,4 mol litiorekin erreakziona dezake, 1491 mA·h/g-ko gaitasun teorikoari dagokiona. Dena den, hasierako murrizketa-erreakzioaren itzulgarritasun txikia kontuan hartuta, aplikazio praktikoetan, ondorengo aleazio/desaleazio prozesuak-783 mA·h/g-gutxi gorabehera-gutxi gorabehera ematen duen ahalmen eraginkorra soilik hartzen da kontuan, eta balio hori SnO2 materialaren gaitasun teoriko praktiko gisa erabiltzen da. Gainera, karga--deskarga-zikloetan, material honek bolumen-hedapen handia jasaten du (% 200 baino gehiago), eta horrek gaitasun-galera handia eragiten du. Horretarako, ikertzaileak SnO2ren ziklo-egonkortasuna hobetzen eta bolumen-aldaketen ondoriozko gaitasun-galera atzeraezina murrizten dihardute hainbat metodoren bidez.