リチウム電池のさまざまなアノード材料の簡単な分析

リチウム電池の主なアノード材料は、スズベース材料、リチウムベース材料、チタン酸リチウム、カーボンナノチューブ、およびグラフェン材料です。カソード材料のリチウム電池のエネルギー密度は、リチウム電池のエネルギー密度に影響を与える主な要因の1つであり、リチウム電池のカソード材料、アノード材料、電解質であり、ダイアフラムはリチウムイオン電池の4つのコア材料として知られています。ここでは、アノード材料のあらゆる種類の性能、長所と短所、および可能な改善の方向性について簡単に紹介します。

カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブは、炭素材料の一種の黒鉛化構造であり、それ自体が優れた導電性を有すると同時に、挿入されたliの深さを取り除くときの小さいため、短いトリップであり、充電および放電時のカソード材料の比率が大きい。分極効果は小さく、バッテリーの充電および放電特性を向上させることができます。

しかし、直接、リチウム電池のカソード材料としてのカーボンナノチューブは、可逆容量が高くなく、電圧ヒステリシスと放電プラットフォームが明らかではありません。Ng単層カーボンナノチューブなどの単純なフィルターを使用して、直接カソードとして準備されました。材料、その最初の放電容量は1700 mah / gであり、可逆容量は400 mah / gのみです。

図1カーボンナノチューブカソード材料

カソードでのカーボンナノチューブの別の用途は、他のアノード材料（グラファイト、チタン酸リチウム、スズ、シリコンなど）の複合材料で、その独自の中空構造と、改善するためのキャリアとしての高い導電性と大きな比表面積の利点を使用することです。他のアノード材料の性能カーボンナノチューブの膨張黒鉛穴のその場成長におけるグオなどの化学蒸着法により、膨張黒鉛/カーボンナノチューブ複合材料が合成され、可逆容量は初めて443mah / gです50回後の1cレートの充電および放電サイクルで、可逆容量は259 mah / gに達することができます。カーボンナノチューブの中空構造と拡張されたグラファイトホールは、幅広いリチウム活性を提供し、この構造は、生成される材料の体積効果を緩衝することができます。充電と放電の過程で。

グラフェン

2004年、マンチェスター大学の研究者は、グラフェン材料を初めて発見し、ノーベル賞を受賞しました。グラフェンは、新しい炭素材料の炭素6員環から形成され、大きな比表面積（約2600）などの多くの優れた特性を備えています。 m2g-1）、高い熱伝導率（約5300 wm-1 k-1）、高い電子伝導率（15000 s cm2v-1-1の電子移動度）、およびリチウムイオン電池と呼ばれる優れた機械的特性材料と多くの魅力があります注意。

リチウム電池のカソード材料として直接グラフェンは、非常に優れた電気化学的性能を備えています。還元剤としてヒドラジン水和物を使用した実験室、グラフェン形態のジャングルの準備、およびハードカーボンカーボンとソフトカーボンカーボンの両方の特性、および0.5V以上の電圧範囲は、コンデンサの特性。

図2グラフェンアノード材料

放電速度が1c未満のグラフェンアノード材料、可逆容量は650 mah / g、100回の充電および放電サイクル容量が460 mah / gに達した後、初めてグラフェンは導電剤、アノード材料、および他の複合材料は、アノード材料の電気化学的性能を向上させます.200 ma / gの密度の電流で電気を発生させるFe3O4 /グラフェン複合材料の超音波分散によるザイシャローピットなど、50サイクル後の容量は1235 mah /です。 g;電気をデボルブする5000sおよび10000ma / gの電流密度では、700サイクルの容量が450 mah / gおよび315mah / gに達すると、高い容量と良好なサイクル性能を示しました。

チタン酸リチウム

以下の利点があるため、懸念されるアノード材料としてのスピネルチタン酸リチウム。

1）インターカレートされたリチウムチタン酸リチウムを離陸する前後でほぼ「ゼロひずみ（インターカレートされたli結晶セルパラメータを離陸するために」0.836nmからわずか0.837nm）。

2）挿入されたliより高い電位（1.55 V）、「リチウムデンドライト」を避け、高いセキュリティ。

3）フラット電圧プラットフォームを備えています。

4）化学拡散係数とクーロン効率。

チタン酸リチウムの多くの利点は、その優れたサイクル性能と高いセキュリティを決定しますが、その導電率は高くなく、大きな電流充電と放電容量の減衰は深刻であり、通常、その導電率を改善するために表面改質またはドーピングを採用します.Mg（NO3 ）マグネシウム2 +をドープしたチタン酸リチウムの固相法によって調製されたマグネシウムの供給源としての2は、マグネシウム2 +をドープしても、スピネルのチタン酸リチウムの結晶構造が破壊されず、より良い分散後に材料がドープされたことを示しています。 10cの放電率の条件は83.8mAh / gに達する可能性があり、ドーピングなしの場合の2.2倍であり、交流インピーダンステストによると、充電および放電サイクル容量の10倍後に明らかな減衰はなく、充電後にドープされた材料が示されます伝達抵抗は明らかに減少します。リチウムLi2CO3とクエン酸などの高温固相法による鄭はそれぞれ使用されましたリチウムの供給源として、純粋な相のチタン酸リチウムを調製し、炭素でコーティングしたチタン酸リチウムを調製した。

図3チタン酸リチウムカソード材料

実験によれば、より小さな粒子サイズと良好な分散を有するチタン酸リチウムの炭素コーティングは、主に炭素コーティングが電子伝導性の表面上のチタン酸リチウム粒子を改善でき、より小さな粒子サイズがLi +を減少させるため、より良い電気化学的特性を示した。拡散経路。

シリコンベースの材料

理想的なリチウムイオン電池のアノード材料としてのシリコンには、次の利点があります。

1）シリコンはリチウムとLi4.4 Si合金を形成でき、リチウム貯蔵理論は4200 mah / g（与えられたグラファイトの10倍以上）と高い。

2）充電が「リチウムデンドライト」を形成するのが難しい場合、シリコン挿入-li電位（0.5 V）はグラファイトの電位よりもわずかに高くなります。

3）シリコンと電解質の反応性が低く、有機溶剤が埋め込まれている現象は発生しません。

シリコン、しかし、電極は充電と放電サイクルのパフォーマンスと容量の減衰の過程で発生します、主に2つの理由があります：

1）シリコンとリチウムLi4.4 Si合金の生成、体積膨張は320％と高く、大きな体積変化は活物質からの脱落につながりやすく、その結果、間の電気的接触が減少し、電極サイクルの性能が低下します急速に;

2）微量のHFエッチングシリコンのLiPF6電解質分解により、シリコン電極の容量が減衰しました。

シリコン電極の電気化学的性能を向上させるために、通常は次の方法があります：ナノメートルのシリコン材料、合金材料、複合材料の調製Geなど、充電と放電によって調製されたホウ素ドープシリコンナノワイヤの化学エッチング2 a / gの電気の流れ、250週間後の循環容量は2000 mah / gに達することができ、シリコンオフシリコンナノワイヤーの埋め込みメカニズムが循環プロセスの体積膨張を効果的に軽減できるため、優れた電気化学的性能を示しました。 Liuは、Si-NiSi-Ni錯体などの高エネルギーボールミルで調製し、Si-NiSi化合物の多孔質構造であるNi元素のHNO3溶解化合物を使用しました。

図4シリコンベースのアノード材料

XRDの特性評価により、NiSi合金システムが存在し、アノード材料として可逆容量を提供するだけでなく、細孔内に粒子があり、充電および放電サイクル中のシリコンのプロセスで体積膨張を緩衝し、シリコン電極のサイクル性能を向上させます.700℃の高温熱分解のアルゴン雰囲気などでフェノール樹脂を炭素源として使用するリーは、10サイクルの化合物不可逆容量が1029 mah / gである後、コアシェルタイプのSi / C複合材料を調製します。 Na2CO3は、フェノール樹脂とシリコン表面の間に共有結合を形成し、次に高温クラッキングを行うことで、シリコンと熱分解カーボンの接触を改善し、アノード材料の循環を改善し、不可逆的な容量損失を減らすことができます。

スズ合金

スズ合金アノード材料中のSnCoCは、結晶化処理ではなく、原子レベルで混合するSn、Co、およびCの3つの元素である材料の商業化に成功し、材料は電極材料の体積変化の充放電のプロセスを効果的に抑制し、改善します。サイクル寿命2011年、日本のSONYはSnシリーズのアモルファス材料によって3.518650円筒形バッテリーカソードAHの容量として発表しました。元素スズの理論的比容量は994mah / gであり、Liなどの他の金属間化合物の金属形成と可能です。 Si、Co.Xue USESなどの電気めっきは、最初にCu膜キャリアの3次元多孔質構造を作成し、次に3次元多孔質構造によって作成されたSn-Co合金のCu薄膜キャリア表面荷重に電着することによって作成しました。 Sn-Co合金の。

636.3 mAh / gの最初の放電比容量の材料、クーロン効率は83.1％に達し、70回の充電および放電サイクル後も初めて比容量は511.0 mAh / gに達することができます。分散剤としてのグラファイトなどの王、高エネルギーメカニカルボールミルと後熱処理を使用することにより、SnO / SiOと反応物としての金属リチウムの混合物、Sn / Si合金のマトリックスに均一に分散したグラファイトの調製、200回の充放電後の材料サイクルでは、可逆容量は574.1 mAh / gに達する可能性がありますが、それでも単一のSnOまたはSiOアノード材料よりも優れています。

酸化スズ

SnO2は理論上の比容量が高いため（781 mah / g）、多くの注意が払われていますが、その適用プロセスにはいくつかの問題があります。最初に不可逆容量が大きく、大きな体積効果がある場合は挿入されたli体積膨張（250％〜300％）、循環過程での再結合などが容易です。

研究によると、複合材料の調製を通じて、SnO2粒子を効果的に一緒に抑制できると同時に、挿入されたliの体積効果を軽減し、化学堆積や高温焼結などによってSnO2.Zhouの電気化学的安定性を向上させることができます。 SnO2 /グラファイト複合材料の調製として、100 ma / gの電流密度では、比容量は450 mah / g以上に達する可能性があり、2400 ma / gの電流密度では、230以上の可逆比容量に達する可能性があります。 mah / g、実験結果は、キャリアとしてのグラファイトがSnO2粒子をより均一に散乱させるだけでなく、粒子を効果的に一緒に抑制し、材料のサイクル安定性を改善できることを示しています。

まとめると、近年、リチウムイオン電池のカソード材料は、大容量、長サイクル寿命、低コストの方向にあります。金属（スズ、シリコン）材料は、容量の変化と同時に、容量が大きくなります。金属合金材料は体積変化に比例し、実際の電池は体積の大きな変化（通常は5％未満）を許容しないため、実際のアプリケーションで再生する能力は、より大きな、解決または改善によって制限されます。体積変化の影響は、金属母材の研究開発の方向性となるでしょう。

チタン酸リチウムは、体積変化が小さく、サイクル寿命が長く、安全性やその他の重要な利点があるため、電気自動車やその他の大規模エネルギー貯蔵の分野では、エネルギー密度が低く、アノード材料が高電圧であるため、大きな可能性を秘めています。 LiMn1.5 Ni0.5マッチング用途、m1は将来的に高いセキュリティですパワーバッテリー開発の方向性。

比表面積、高い導電性、化学的安定性などを備えたカーボンナノ材料（カーボンナノチューブとグラフェン）は、新しいリチウムイオン電池に応用できる可能性がありますが、アノード材料としてのカーボンナノ材料は単独ですが、高い不可逆容量、電圧ヒステリシス、アノード材料やその他の複合材料の使用が実用的な選択です。

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