Ապագայի ձևավորումլիթիում-իոնային մարտկոցներպետք է կարողանա բավարարել բարձր-էներգիա-սպառող սարքերի պահանջները, ինչպիսիք են մաքուր էլեկտրական մեքենաները, վարդակից-հիբրիդային էլեկտրական մեքենաները և կայուն էներգիայի պահպանման համակարգերը: Մշակման փուլում գտնվող նոր անոդային նյութերի համար հզորությունը հիմնական կատարողական ցուցանիշներից մեկն է: Տարբեր ռեակցիաների մեխանիզմների հիման վրա որոշ թեկնածու նյութեր, որոնք ունեն բարձր տեսական հզորություններ, ներառում են սիլիցիում (Si), գերմանիում (Ge), սիլիցիումի մոնօքսիդ (SiO), անագ (Sn) և դրա օքսիդ (SnOz), որոնց բնորոշ հզորությունները տատանվում են 783 mA·g (SnOz-ի համար) մինչև 4211 mA·h-ի համար: Թեև այս համաձուլվածքային նյութերն ունեն ավելի բարձր հատուկ հզորության առավելություններ՝ համեմատած ավանդական գրաֆիտի (372 mA·bg) և լիթիումի տիտանատի (LTO, 175 mA·Ng), ծավալի փոփոխությունները և լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ կրած նախնական անդառնալի հզորության կորուստը սահմանափակում է դրանց կյանքի տևողությունը: Այս խնդիրները հաղթահարելու համար հետազոտողները ուսումնասիրել են տարբեր ռազմավարություններ, ինչպիսիք են մասնիկների չափը նանոմաշտաբի կրճատումը և ակտիվ կամ անգործուն մետաղական լիթիումի բաղադրիչներ պարունակող կոմպոզիտային նյութերի համակարգերի կառուցման փորձը: Այս մեթոդներից ակտիվ լիթիումի ոսկին համակցելով լեգիրված նյութերի հետ՝ հաղորդիչ բուֆերային ենթաշերտ ձևավորելու համար ցույց է տվել ցիկլի կատարողականությունը բարելավելու ներուժ: Ավելին, նանոկառուցվածքների տարբեր մորֆոլոգիաների կիրառումը, ինչպիսիք են նանոլարերը կամ նանոխողովակները, նույնպես ապացուցել է, որ արդյունավետ մոտեցում է իդեալական անոդային նյութերի ձեռքբերման համար, որոնք համատեղում են բարձր հզորությունը, լավ արագությունը և երկար ցիկլի կյանքը:
Si--Սիլիկոնային հիմքով անոդ նյութեր
Սիլիցիումի-հիմնված անոդ նյութերը հիմնականում կազմված են մաքուր սիլիցիումից, սիլիցիումի օքսիդից և սիլիցիումի/ածխածնի կոմպոզիտներից: Իրենց բարձր տեսական հզորության, շրջակա միջավայրի բարեկեցության և առատ բնական պաշարների պատճառով դրանք լայնորեն համարվում են իդեալական ընտրություն հաջորդ սերնդի-բարձր{3}}էներգիայի-խտության լիթիումի-իոնային մարտկոցների անոդների համար: Չինացի գիտնականներն առաջինն էին աշխարհում, ովքեր առաջարկեցին լիթիում{7}}իոնային մարտկոցների վրա նանոմաշտաբով սիլիցիումի կիրառման գաղափարը։ Հաշվի առնելով Չինաստանի առատ սիլիցիումային ռեսուրսները և տարրական սիլիցիումի համաշխարհային առաջատար-արտադրական հզորությունները, սիլիցիումի{10}}հիմնված անոդ նյութերի և դրանց կիրառումը լիթիում{11}}իոնային մարտկոցների վրա հետազոտական և մշակման ջանքերի ավելացումը մեծ նշանակություն ունի ապագա բարձր արդյունավետության{12}լիթիումի մարտկոցների հիմնական տեխնոլոգիաներին տիրապետելու համար։
Համեմատած ավանդական գրաֆիտային անոդային նյութերի հետ՝ սիլիցիումը ցուցադրում է ավելի բարձր տեսական հատուկ հզորություն (4211 mA·h/g) և համեմատաբար ավելի ցածր դելիտիացիոն պոտենցիալ (0.5V): Հատկանշական է, որ սիլիցիումի աշխատանքային լարումը մի փոքր ավելի բարձր է, քան գրաֆիտինը: Նկար 5-9-ը ցույց է տալիս ատոմային հատուկ դասավորությունը սիլիցիումի բյուրեղի ներսում: Լիցքավորման ընթացքում սիլիցիումի օգտագործումը որպես անոդ կարող է նվազեցնել մակերևույթի լիթիումի ծածկույթը՝ դրանով իսկ բարելավելով մարտկոցի անվտանգությունը: Ավելին, սիլիցիումը առատ է և էժան: Այնուամենայնիվ, լիթիում{11}}իոնային մարտկոցների անոդների վրա սիլիցիումի կիրառումը նույնպես որոշ դժվարություններ է առաջացնում: Որպես կիսահաղորդչային նյութ՝ սիլիցիումը վատ հաղորդունակություն ունի։ Բազմաթիվ լիցքավորման-լիցքաթափման ցիկլերից հետո լիթիումի-իոնների տեղադրման և արձակման հետևանքով առաջացած ծավալի զգալի փոփոխությունները կարող են հանգեցնել նյութի կոտրման՝ ազդելով կառուցվածքի կայունության վրա և կարող է առաջացնել ակտիվ նյութի անջատում ընթացիկ կոլեկտորից՝ լրջորեն ազդելով մարտկոցի ցիկլի կյանքի վրա: Ավելին, այս ծավալի ընդլայնումը նաև խոչընդոտում է սիլիցիումի մակերեսի վրա կայուն և արդյունավետ պինդ-էլեկտրոլիտային միջերեսի (SED) թաղանթի ձևավորումը։ Մաքուր սիլիցիումի կամ նրա միացությունների միատեսակ ցրումը ածխածնային մատրիցայում կարող է որոշ չափով մեղմել այդ խնդիրները. մի կողմից՝ այն բարելավում է կոմպոզիտային նյութի ընդհանուր էլեկտրոնային հաղորդունակությունը. Մյուս կողմից, ածխածնի առկայությունը օգնում է թեթևացնել սիլիցիումի ծավալի փոփոխությունների հետևանքով առաջացած սթրեսը՝ նվազեցնելով էլեկտրոդի կառուցվածքի վնասը. Միաժամանակ ածխածինը կարող է նպաստել SEI ֆիլմի կայուն ձևավորմանը: Հետևաբար, սիլիցիումի և ածխածնի առավելությունները համադրող կոմպոզիտային նյութերը համարվում են հաջորդ-սերնդի բարձր{19}}էներգիայի{20}}խտության լիթիում-իոնային մարտկոցների իդեալական անոդ թեկնածուներից մեկը:
SiO
Բացի սիլիցիումից, սիլիցիումի մոնօքսիդը (SiO) համարվում է նաև լիթիում{0}}իոնային մարտկոցների թեկնածու անոդ նյութ, քանի որ դրա տեսական հզորությունը գերազանցում է 1600 mA·h/g: Ավելին, լիթիումի-թթվածնի կոորդինացումը ենթադրում է ավելի փոքր ծավալի փոփոխություններ և ակտիվացման ավելի քիչ էներգիա լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ: Այս գործընթացի ընթացքում պոտենցիալ էլեկտրաքիմիական ռեակցիաները ներառում են SiO-ի փոխակերպումը Si և LiO-ի, որին հաջորդում է սիլիցիումի-լիթիումի համաձուլվածքի ձևավորումը Li-ի հետ; կամ սիլիցիումի-լիթիումի համաձուլվածքի և LixSiO2-ի ուղղակի ձևավորում: Հատկանշական է, որ մաքուր պինդ SiO-ը թերմոդինամիկորեն անկայուն է ցանկացած ջերմաստիճանում և, հետևաբար, կարող է քայքայվել Si-ի և SiO2-ի հատուկ պայմաններում՝ անհամաչափ ռեակցիայի միջոցով: Սիլիցիումի նման, SiO-ն ենթարկվում է զգալի ծավալի ընդլայնման կամ կծկման լիթիումի ներդրման և արդյունահանման ժամանակ: Բացի այդ, SiO-ն ունի վատ հաղորդունակություն, ինչը հանգեցնում է լիթիումի{11}}իոնների ներթափանցման և արտահոսքի դանդաղ տեմպերին: Այս խնդիրները լուծելու, շրջելի կարողությունները բարձրացնելու և ցիկլի կայունությունը բարելավելու համար հետազոտողները ուսումնասիրել են տարբեր ռազմավարություններ: Դրանցից հատկապես արդյունավետ մոտեցումներ են համարվում ածխածնային ծածկույթի տեխնոլոգիան, SiO-ում լիթիումի էլեկտրաքիմիական նվազեցումը և SiO մասնիկների չափի կրճատումը: Մասնավորապես, փոքր մասնիկների և ածխածնի ծածկույթների հետ համակցվելիս, լիթիումի իոնների դիֆուզիոն ուղին կարող է արդյունավետորեն կրճատվել՝ միաժամանակ բարելավելով էլեկտրոնների և իոնների հաղորդման արդյունավետությունը՝ դրանով իսկ հաղթահարելով վերոհիշյալ մարտահրավերները:
GE
Գերմանիումը զգալի ուշադրություն է գրավել լիթիում-իոնային մարտկոցի անոդի նյութերի ուսումնասիրության մեջ՝ շնորհիվ իր բարձր լիթիումի պահեստավորման հզորության (1623 mA·h/g)՝ Liz2Ge5 ստոյխիոմետրիկ հարաբերակցությամբ և իր հետադարձելի լիթիումի տեղադրման և արդյունահանման գործընթացի շնորհիվ: Չնայած գերմանիումը ավելի թանկ է, քան սիլիցիումը և ունի մի փոքր ավելի ցածր հզորություն, այն ունի զգալի առավելություններ, ինչպիսիք են հաղորդունակությունը 10,000 անգամ ավելի, քան սիլիցիումը և միայն 0,67 էՎ տիրույթի բացը: Ուսումնասիրությունները ցույց են տվել, որ լիթիումի իոնների դիֆուզիոն արագությունը գերմանում 15 անգամ ավելի արագ է, քան սիլիցիումը՝ 360 աստիճանով և 400 անգամ ավելի արագ՝ սենյակային ջերմաստիճանում։ Այս հատկությունները տալիս են գերմանիումի գերազանց բարձր-հոսանքի արտանետման արդյունավետություն և լիցքի տեղափոխման ավելի բարձր արդյունավետություն: Այս բարձր{15}}հզորության արդյունավետությունը հատկապես կարևոր է այն ծրագրերի համար, որոնք պահանջում են բարձր արտադրողականության հզորություն, օրինակ՝ էլեկտրական մեքենաները: Այնուամենայնիվ, սիլիցիումի նման, գերմանիումը նույնպես բախվում է մինչև 300% ծավալի ընդլայնման խնդրի հետ, ինչը խոչընդոտ է դարձել լիթիում{19}}իոնային մարտկոցներում դրա գործնական կիրառման համար։ Օգտագործելով նանոկառուցվածքային նմուշներ, ինչպիսիք են նանոմասնիկները, նանոլարերը կամ նանոխողովակները, ծավալների փոփոխությունների բացասական ազդեցությունը կարող է արդյունավետորեն մեղմվել՝ դրանով իսկ բարելավելով կուլոմբիական արդյունավետությունը: Հարկ է նշել, որ գերմանիումի նանոմասնիկների-հաղորդիչ ենթաշերտի կոմպոզիտների պատրաստումը պարզ մեթոդների կիրառմամբ, ինչպիսին է պինդ-պիրոլիզը, կարող է հետագայում օպտիմալացնել էլեկտրոդների էլեկտրաքիմիական աշխատանքը:
SnO2
Անագի երկօքսիդը (SnO2), որն ի սկզբանե մշակվել է Fujifilm-ի կողմից, մեծ ուշադրություն է գրավել որպես լիթիում-իոնային մարտկոցների բացասական էլեկտրոդի նյութ՝ շնորհիվ իր բարձր տեսական հզորության և ցածր աշխատանքային լարման (մոտ 0,6 էՎ՝ LiLi-ի համեմատ): Էլեկտրաքիմիական ռեակցիայի գործընթացում այն նախ անցնում է մասամբ անշրջելի փուլ, որտեղ SnO2-ը վերածվում է մետաղական անագի (Sn) և լիթիումի օքսիդի (LiO); Հետագայում տեղի է ունենում շրջելի փուլ, որը ներառում է անագի-լիթիումի համաձուլվածքի ձևավորումն ու քայքայումը։ Տեսականորեն SnO2-ի յուրաքանչյուր մոլ կարող է արձագանքել 8,4 մոլ լիթիումի հետ, որը համապատասխանում է 1491 mA·h/g տեսական հզորությանը։ Այնուամենայնիվ, հաշվի առնելով սկզբնական նվազեցման ռեակցիայի ցածր շրջելիությունը, գործնական կիրառություններում սովորաբար դիտարկվում է միայն արդյունավետ հզորությունը, որը նպաստում է հետագա համաձուլվածքի/հալվածքի գործընթացին{11}}մոտ 783 mA·h/g{13}}, և այս արժեքը օգտագործվում է որպես SnO2 նյութի գործնական տեսական հզորություն: Ավելին, լիցքավորման{16}}լիցքաթափման ցիկլերի ընթացքում այս նյութը ենթարկվում է զգալի ծավալի ընդլայնման (ավելի քան 200%), ինչը հանգեցնում է հզորության լուրջ կորստի: Այդ նպատակով հետազոտողները նվիրված են SnO2-ի հեծանվային կայունության բարելավմանը և տարբեր մեթոդների միջոցով ծավալների փոփոխության պատճառով անդառնալի կարողությունների կորստի նվազեցմանը: