O deseño do futurobaterías de iones de litio{0}debe ser capaz de satisfacer as demandas dos dispositivos que consomen-enerxía-alto, como vehículos eléctricos puros, vehículos eléctricos híbridos enchufables-e sistemas de almacenamento de enerxía estacionarios. Para novos materiais ánodos en desenvolvemento, a capacidade é un dos principais indicadores de rendemento. A partir de diferentes mecanismos de reacción, algúns materiais candidatos con altas capacidades teóricas inclúen silicio (Si), xermanio (Ge), monóxido de silicio (SiO), estaño (Sn) e o seu óxido (SnOz), con capacidades típicas que van desde 783 mA·g (para SnOz) ata 4211 mA·h/g (para Si). Aínda que estes materiais de aliaxe presentan maiores vantaxes de capacidade específica en comparación co grafito tradicional (372 mA·bg) e o titanato de litio (LTO, 175 mA·Ng), os cambios de volume e a perda de capacidade irreversible inicial que sofren durante a carga e descarga limitan a súa vida útil. Para superar estes problemas, os investigadores exploraron varias estratexias, como reducir o tamaño das partículas a nanoescala e intentar construír sistemas de materiais compostos que conteñan compoñentes de litio metálico activos ou inactivos. Entre estes métodos, a combinación de ouro de litio activo con materiais de aliaxe para formar un substrato tampón condutor demostrou potencial para mellorar o rendemento do ciclo. Ademais, o emprego de diferentes morfoloxías de nanoestruturas, como nanofíos ou nanotubos, tamén demostrou ser unha aproximación eficaz para conseguir materiais ánodos ideais que combinen alta capacidade, bo rendemento e ciclo de vida longo.
Si--Materiais ánodos a base de silicio
Os materiais ánodos baseados en silicio-están compostos principalmente por silicio puro, óxido de silicio e compostos de silicio/carbono. Debido á súa alta capacidade teórica, á súa compatibilidade co medio ambiente e ás abundantes reservas naturais, considéranse amplamente a opción ideal para ánodos de batería de iones de litio de-xeración de alta-enerxía-densidade-. Científicos chineses foron os primeiros do mundo en propoñer o concepto de aplicar silicio a nanoescala ás baterías de iones de litio-. Dados os abundantes recursos de silicio de China e a{9}}principal capacidade de produción mundial de silicio elemental, o aumento dos esforzos de investigación e desenvolvemento de materiais de ánodos baseados en silicio-e a súa aplicación en baterías de ións de litio-é de gran importancia para dominar as tecnoloxías clave das futuras baterías de ións de litio-de alto rendemento.
En comparación cos materiais tradicionais de ánodo de grafito, o silicio presenta unha maior capacidade específica teórica (4211 mA·h/g) e un potencial de delitización relativamente menor (0,5 V). Notablemente, a tensión de funcionamento do silicio é lixeiramente superior á do grafito. A figura 5-9 ilustra a disposición atómica específica dentro dun cristal de silicio. Durante a carga, o uso de silicio como ánodo pode reducir o recubrimento de litio da superficie, mellorando así a seguridade da batería. Ademais, o silicio é abundante e barato. Non obstante, a aplicación de silicio aos ánodos de baterías de-ións de litio tamén presenta algúns retos. Como material semicondutor, o silicio ten unha condutividade pobre. Despois de varios ciclos de carga-descarga, os cambios significativos de volume causados pola inserción e liberación de ións de litio-poden provocar a rotura do material, afectando á estabilidade estrutural e, potencialmente, a separación do material activo do colector actual, afectando gravemente o ciclo de vida da batería. Ademais, esta expansión de volume tamén dificulta a formación dunha película de interface de electrolito de estado sólido (SED) estable e eficaz na superficie do silicio. A dispersión uniforme do silicio puro ou dos seus compostos dentro dunha matriz de carbono pode aliviar en certa medida estes problemas: por unha banda, mellora a condutividade electrónica global do material composto; por outra banda, a presenza de carbono axuda a aliviar o estrés causado polos cambios de volume do silicio, reducindo os danos na estrutura do electrodo; ao mesmo tempo, o carbono pode promover a formación estable da película SEI. Polo tanto, os materiais compostos que combinan as vantaxes do silicio e do carbono considéranse un dos ánodos candidatos ideais para baterías de iones de litio de alta-xeración de-enerxía-de alta densidade.
SiO
Ademais do silicio, o monóxido de silicio (SiO) tamén se considera un material ánodo candidato para baterías de ión de litio{0}} debido á súa capacidade teórica que supera os 1600 mA·h/g. Ademais, a coordinación do-osíxeno de litio implica cambios de volume menores e enerxías de activación máis baixas durante a carga e a descarga. As posibles reaccións electroquímicas durante este proceso inclúen a conversión de SiO en Si e LiO, seguida da formación dunha aliaxe de silicio-litio con Li; ou a formación directa dunha aliaxe de silicio-litio e LixSiO2. Cabe destacar que o SiO sólido puro é termodinámicamente inestable a calquera temperatura e, polo tanto, pode descompoñerse en Si e SiO2 en condicións específicas mediante unha reacción de desproporción. Do mesmo xeito que o silicio, o SiO sofre unha importante expansión ou contracción de volume durante a inserción e extracción de litio. Ademais, o SiO ten unha condutividade deficiente, o que provoca taxas lentas de entrada e saída de ións de litio-. Para abordar estes problemas, mellorar a capacidade reversible e mellorar a estabilidade do ciclo, os investigadores exploraron varias estratexias. Entre estes, a tecnoloxía de revestimento de carbono, a redución electroquímica do litio en SiO e a redución do tamaño das partículas de SiO considéranse enfoques particularmente eficaces. En particular, cando se combina con partículas máis pequenas e revestimentos de carbono, o camiño de difusión dos ións de litio pódese acurtar de forma efectiva, ao tempo que mellora a eficiencia da condución de electróns e iones, superando así os desafíos mencionados anteriormente.
GE
O xermanio atraeu unha atención significativa na investigación de materiais de ánodo da batería de ións de litio- debido á súa alta capacidade de almacenamento de litio (1623 mA·h/g) na relación estequiométrica Liz2Ge5 e ao seu proceso de inserción e extracción reversible de litio. Aínda que o xermanio é máis caro que o silicio e ten unha capacidade lixeiramente menor, posúe importantes vantaxes, como unha condutividade 10.000 veces a do silicio e unha banda intercalada de só 0,67 eV. Os estudos demostraron que a taxa de difusión dos ións de litio no xermanio é 15 veces máis rápida que no silicio a 360 graos e 400 veces máis rápida a temperatura ambiente. Estas propiedades proporcionan ao xermanio un excelente rendemento de descarga de alta-corrente e unha maior eficiencia de transporte de carga. Este rendemento de alta-potencia é especialmente importante para aplicacións que requiren potencia de saída-de alto rendemento, como os vehículos eléctricos. Non obstante, do mesmo xeito que o silicio, o xermanio tamén enfróntase ao problema da expansión do volume de ata un 300 %, o que se converteu nun obstáculo para a súa aplicación práctica en baterías de iones de litio-. Empregando deseños de nanoestruturas como nanopartículas, nanofíos ou nanotubos, o impacto negativo dos cambios de volume pódese mitigar de forma efectiva, mellorando así a eficiencia coulombica. Cabe destacar que a preparación de compostos de substrato condutor de nanopartículas de xermanio-con métodos sinxelos como a pirólise en estado sólido-pode optimizar aínda máis o rendemento electroquímico dos electrodos.
SnO2
O dióxido de estaño (SnO2), desenvolvido inicialmente por Fujifilm, chamou a atención amplamente como material de electrodo negativo para baterías de iones de litio- debido á súa alta capacidade teórica e a súa baixa tensión de funcionamento (aproximadamente 0,6 eV, en relación co LiLi). No proceso de reacción electroquímica, primeiro sofre un paso parcialmente irreversible, onde o SnO2 redúcese a estaño metálico (Sn) e óxido de litio (LiO); posteriormente, prodúcese unha fase reversible, que implica a formación e descomposición da aliaxe de estaño-litio. Teoricamente, cada mol de SnO2 pode reaccionar con 8,4 mol de litio, o que corresponde a unha capacidade teórica de 1491 mA·h/g. Non obstante, dada a baixa reversibilidade da reacción de redución inicial, en aplicacións prácticas só se considera a capacidade efectiva aportada polo proceso de aleación/desaliación posterior-aproximadamente 783 mA·h/g-, e este valor utilízase como capacidade teórica práctica do material SnO2. Ademais, durante os ciclos de carga-descarga, este material sofre unha importante expansión de volume (máis do 200 %), o que provoca unha grave perda de capacidade. Para iso, os investigadores dedícanse a mellorar a estabilidade cíclica do SnO2 e reducir a perda de capacidade irreversible debida aos cambios de volume a través de diversos métodos.