Нанопроволочная батарея
 | этой статьи Начальный раздел может быть слишком коротким, чтобы адекватно суммировать ключевые моменты . ( февраль 2022 г. ) |
Батарея из нанопроволоки использует нанопровода для увеличения площади поверхности одного или обоих электродов , что повышает емкость батареи. некоторых конструкциях ( оксиды кремния, германия и переходных металлов ), вариациях литий-ионной батареи Было объявлено о , хотя ни одна из них коммерчески не доступна. Все эти концепции заменяют традиционный графитовый анод и могут улучшить производительность батареи. Каждый тип батарей из нанопроволоки имеет свои преимущества и недостатки, но общей проблемой для всех них является их хрупкость. [1]
Кремний
[ редактировать ]Кремний является привлекательным материалом для применения в качестве анодов литиевых батарей из-за его разрядного потенциала и высокой теоретической зарядной емкости (в десять раз выше, чем у типичных графитовых анодов, используемых в настоящее время в промышленности). Нанопровода могут улучшить эти свойства за счет увеличения площади доступной поверхности, контактирующей с электролитом, увеличения плотности мощности анода и обеспечения более быстрой зарядки и разрядки. Однако кремний разбухает до 400%, поскольку он сплавляется с литием во время зарядки, что приводит к его разрушению. Это объемное расширение происходит анизотропно , вызванное распространением трещин сразу за движущимся фронтом литиирования. Эти трещины приводят к распылению и значительной потере производительности, заметной в течение первых нескольких циклов. [2]
Нанопроволоки могут помочь смягчить расширение объема. Небольшой диаметр нанопроволоки позволяет лучше адаптироваться к изменениям объема во время литиирования. Еще одним преимуществом является то, что, поскольку все нанопроволоки прикреплены к токосъемнику, они могут служить прямыми путями переноса заряда. Напротив, в электродах на основе частиц заряды вынуждены перемещаться от частицы к частице, что является менее эффективным процессом. Кремниевые нанопровода имеют теоретическую емкость примерно 4200 мАч·г. −1 , больше, чем у других форм кремния, и намного больше, чем у графита (372 мАч г). −1 ). [3]
Как и графитовые аноды, кремниевые аноды образуют на своей поверхности пассивирующие слои (межфазы твердого электролита) во время первого цикла зарядки. Покрытие кремниевых нанопроволок углеродом может улучшить стабильность этих слоев. [4]
Легирование примесей, таких как фосфор или бор, в анод нанопроволоки также может улучшить производительность за счет увеличения проводимости. [5]
германий
[ редактировать ]Утверждалось, что анод с использованием германиевой нанопроволоки способен увеличивать плотность энергии и долговечность литий-ионных батарей. Как и кремний, германий имеет высокую теоретическую емкость (1600 мАч/г), расширяется во время зарядки и распадается после небольшого количества циклов. [6] [7] Однако германий в 400 раз эффективнее интеркалирует литий, чем кремний, что делает его привлекательным анодным материалом. Заявлено, что аноды сохраняют емкость 900 мАч/г после 1100 циклов даже при скорости разряда 20–100°C. Такая производительность была объяснена реструктуризацией нанопроволок, которая происходит в течение первых 100 циклов, с образованием механически прочной, непрерывно пористой сети. После формирования реструктурированный анод в дальнейшем теряет только 0,01% емкости за цикл. [8] После этих начальных циклов материал образует стабильную структуру, способную противостоять измельчению. В 2014 году исследователи разработали простой способ получения нанопроволок германия из водного раствора . [9]
Оксиды переходных металлов
[ редактировать ]Оксиды переходных металлов (ТМО), такие как Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 и PbO 2 , имеют множество преимуществ в качестве анодных материалов по сравнению с обычными материалами элементов для литий-ионных аккумуляторов (LIB) и других аккумуляторные системы. [10] [11] [12] Некоторые из них обладают высокой теоретической энергетической емкостью, распространены в природе, нетоксичны и экологически безопасны. Когда была представлена концепция наноструктурированного аккумуляторного электрода, экспериментаторы начали изучать возможность использования нанопроводов на основе ТМО в качестве материалов для электродов. Некоторые недавние исследования этой концепции обсуждаются в следующем подразделе.
Анод из оксида свинца
[ редактировать ]Свинцово-кислотный аккумулятор является старейшим типом перезаряжаемых аккумуляторных батарей. Несмотря на то, что сырье (PbO 2 ) для производства элементов достаточно доступно и дешево, элементы свинцово-кислотных аккумуляторов имеют относительно небольшую удельную энергию . [13] Эффект загущения пасты (эффект объемного расширения) во время рабочего цикла также блокирует эффективный поток электролита. Эти проблемы ограничивали возможности клетки выполнять некоторые энергоемкие задачи.
В 2014 году экспериментатор успешно получил нанопроволоку PbO 2 путем простого темплатного электроосаждения . Характеристики этой нанопроволоки в качестве анодадля свинцово-кислотных аккумуляторов также была оценена. Благодаря значительно увеличенной площади поверхности этот элемент смог обеспечить почти постоянную емкость около 190 мАч г. −1 даже после 1000 циклов. [14] [15] Этот результат показал, что наноструктурированный PbO 2 является довольно многообещающей заменой обычного свинцово-кислотного анода.
Оксид марганца
[ редактировать ]MnO 2 всегда был хорошим кандидатом в качестве электродных материалов благодаря своей высокой энергоемкости, нетоксичности и экономической эффективности. Однако внедрение литий-иона в кристаллическую матрицу во время цикла зарядки/разрядки может привести к значительному объемному расширению. Чтобы противодействовать этому эффекту во время рабочего цикла, ученые недавно предложили идею производства обогащенной Li нанопроволоки MnO 2 с номинальной стехиометрией Li 2 MnO 3 в качестве анодного материала для ЛИА . Эти новые предлагаемые анодные материалы позволяют аккумуляторному элементу достичь энергетической емкости 1279 мАч г. −1 при плотности тока 500 мА даже после 500 циклов. [16] Эта производительность намного выше, чем у анода из чистого MnO 2 или MnO 2 анода из нанопроволоки .
Гетероструктурные ТМО
[ редактировать ]Гетеропереход различных оксидов переходных металлов иногда может обеспечить потенциал более разносторонних характеристик ЛИА.
Co 3 O 4 /Fe 2 O 3 В 2013 году исследователи успешно синтезировали разветвленную нанопроволочную гетероструктуру методом гидротермальным . Этот гетеропереход можно использовать в качестве альтернативного анода для ячейки LIB. При работе Co 3 O 4 способствует более эффективному транспорту ионов, а Fe 2 O 3 увеличивает теоретическую емкость ячейки за счет увеличения площади поверхности. Высокая реверсивная емкость 980 мАч г. −1 было сообщено. [17]
возможность изготовления гетерогенных анодных массивов нанопроволок ZnCo 2 O 4 /NiO. В некоторых исследованиях также изучалась [18] Однако эффективность этого материала в качестве анода еще предстоит оценить.
Золото
[ редактировать ]В 2016 году исследователи из Калифорнийского университета в Ирвине объявили об изобретении материала нанопроволоки, способного выдерживать более 200 000 циклов зарядки без какого-либо разрушения нанопроволок. Эта технология может привести к созданию батарей, которые в большинстве случаев никогда не придется заменять. Золотые заключенной нанопроволоки укреплены оболочкой из диоксида марганца, , подобный плексигласу в гелевый электролит . Комбинация надежна и устойчива к поломкам. После циклической работы тестового электрода около 200 000 раз не произошло потери емкости или мощности, а также разрушения нанопроводов. [19]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бурзак, Кэтрин (2 мая 2016 г.). «Нанопроводная батарея, которая не умрет» . Новости химии и техники .
- ^ Лю, XH; Чжэн, Х.; Чжун, Л.; Хуанг, С.; Карки, К.; Чжан, LQ; Лю, Ю.; Кушима, А.; Лян, WT; Ван, JW; Чо, Дж. Х.; Эпштейн, Э.; Дайе, ЮАР; Пикро, Сент-Луис; Чжу, Т.; Ли, Дж.; Салливан, JP; Камингс, Дж.; Ван, К.; Мао, SX; Да, ЗЗ; Чжан, С.; Хуан, JY (2011). «Анизотропное набухание и разрушение кремниевых нанопроволок при литиировании» . Нано-буквы . 11 (8): 3312–3318. Бибкод : 2011NanoL..11.3312L . дои : 10.1021/nl201684d . ПМИД 21707052 .
- ^ Шао, Гаофэн; Ханаор, Дориан А.Х.; Ван, Цзюнь; Кобер, Дельф; Ли, Шуан; Ван, Сифань; Шен, Сяодун; Бехит, Магед Ф.; Гурло, Александр (2020). «Полимерный SiOC в сочетании с графеновым аэрогелем в качестве высокостабильного анода литий-ионной батареи» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 12 (41): 46045–46056. arXiv : 2104.06759 . дои : 10.1021/acsami.0c12376 . ПМИД 32970402 . S2CID 221915420 .
- ^ Парк, Миннесота; Ким, МГ; Джу, Дж.; Ким, К.; Ким, Дж.; Ан, С.; Цюи, Ю.; Чо, Дж. (2009). «Аноды для батарей из кремниевых нанотрубок» . Нано-буквы . 9 (11): 3844–3847. Бибкод : 2009NanoL...9.3844P . дои : 10.1021/nl902058c . ПМИД 19746961 .
- ^ Чакрапани, Видхья (2012). «Анод из кремниевых нанопроволок: увеличенный срок службы батареи за счет циклической работы с ограниченной емкостью». Журнал источников энергии . 205 : 433–438. дои : 10.1016/j.jpowsour.2012.01.061 .
- ^ Пн, 10.02.2014 - 13:09 (10.02.2014). «Исследователи совершают прорыв в технологии аккумуляторов» . Rdmag.com . Проверено 27 апреля 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Чан, СК; Чжан, XF; Куи, Ю. (2008). «Аноды литий-ионных аккумуляторов большой емкости с использованием Ge нанопроводов». Нано-буквы . 8 (1): 307–309. Бибкод : 2008NanoL...8..307C . дои : 10.1021/nl0727157 . ПМИД 18095738 .
- ^ Кеннеди, Т.; Муллейн, Э.; Гини, Х.; Осиак, М.; о'Дуайер, К.; Райан, К.М. (2014). «Высокопроизводительные аноды литий-ионных аккумуляторов на основе германиевых нанопроволок, выдерживающие более 1000 циклов за счет формирования непрерывной пористой сети на месте». Нано-буквы . 14 (2): 716–23. Бибкод : 2014NanoL..14..716K . дои : 10.1021/nl403979s . hdl : 10344/7364 . ПМИД 24417719 .
- ^ Более простой процесс выращивания германиевых нанопроволок может улучшить литий-ионные батареи , Missouri S&T, 28 августа 2014 г., Эндрю Кареага
- ^ Нам, Ки Тэ; Ким, Донг-Ван; Йоу, Пил Джей; Чан, Чунг-И; Метонг, Нонглак; Хаммонд, Паула Т; Чан, Йет-Мин; Белчер, Анджела М (2006). «Синтез и сборка нанопроволок с поддержкой вирусов для электродов литий-ионных аккумуляторов». Наука . 312 (5775): 885–888. Бибкод : 2006Sci...312..885N . CiteSeerX 10.1.1.395.4344 . дои : 10.1126/science.1122716 . ПМИД 16601154 . S2CID 5105315 .
- ^ Редди, М.В.; Ю, Тинг; Соу, Чонг-Хаур; Шен, Цзэ Сян; Лим, Чви Тек; Субба Рао, ГВ; Чоудари, БВР (2007). «Нанохлопья α-Fe2O3 как анодный материал для литий-ионных аккумуляторов» . Передовые функциональные материалы . 17 (15): 2792–2799. дои : 10.1002/adfm.200601186 . S2CID 136738071 .
- ^ Дюпон, Лоик; Ларуэль, Стефан; Грюжен, Сильви; Дикинсон, К; Чжоу, Вт; Тараскон, Дж. М. (2008). «Мезопористый Cr2O3 в качестве отрицательного электрода в литиевых батареях: исследование влияния текстуры на формирование полимерного слоя с помощью ПЭМ». Журнал источников энергии . 175 (1): 502–509. Бибкод : 2008JPS...175..502D . дои : 10.1016/j.jpowsour.2007.09.084 .
- ^ Павлов, Дечко (2011). Свинцово-кислотные аккумуляторы: наука и техника: наука и техника . Эльзевир.
- ^ Монкада, Алессандра; Пьяцца, Сальваторе; Сунсери, Кармело; Ингуанта, Розалинда (2015). «Последние улучшения электродов на основе нанопроволоки PbO2 для свинцово-кислотных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 275 : 181–188. Бибкод : 2015JPS...275..181M . дои : 10.1016/j.jpowsour.2014.10.189 .
- ^ Монкада, А; Мистретта, MC; Рандаццо, С; Пьяцца, С; Сунсери, К; Ингуанта, Р. (2014). «Высокоэффективные нанопроволочные электроды PbO2 для свинцово-кислотных аккумуляторов». Журнал источников энергии . 256 : 72–79. Бибкод : 2014JPS...256...72M . дои : 10.1016/j.jpowsour.2014.01.050 .
- ^ У, Сяоминь; Ли, Хуан; Фей, Хайлун; Чжэн, Ченг; Вэй, Минденг (2014). «Упрощенный синтез нанопроволок Li2MnO3 для катодов литий-ионных аккумуляторов». Новый химический журнал . 38 (2): 584–587. дои : 10.1039/c3nj00997a .
- ^ Ву, Хао; Сюй, Мин; Ван, Юнчэн; Чжэн, Гэнфэн (2013). «Разветвленные нанопроволоки Co3O4/Fe2O3 как аноды литий-ионных аккумуляторов большой емкости». Нано-исследования . 6 (3): 167–173. дои : 10.1007/s12274-013-0292-z . S2CID 94870109 .
- ^ Сунь, Чжипенг; Ай, Вэй; Лю, Цзилий; Ци, Сяоин; Ван, Яньлун; Чжу, Цзяньхуэй; Чжан, Хуа; Ю, Тин (2014). «Простое изготовление иерархических массивов нанопроводов ядро/оболочка ZnCo2O4/NiO с улучшенными характеристиками литий-ионных батарей». Наномасштаб . 6 (12): 6563–6568. Бибкод : 2014Nanos...6.6563S . дои : 10.1039/c4nr00533c . ПМИД 24796419 . S2CID 25616445 .
- ^ «Химики создают аккумуляторную технологию с запредельной зарядной способностью» . физ.орг . Проверено 23 апреля 2016 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Стэнфордская нанопроводная батарея держит в 10 раз больше заряда, чем существующие» . Стэнфордская служба новостей . 18 декабря 2007 г. Архивировано из оригинала 1 февраля 2008 г.
- «Нанопроводная батарея может удерживать в 10 раз больше заряда, чем существующая литий-ионная батарея» . Стэнфордская служба новостей . 18 декабря 2007 г.
- «Нанопроволочная батарея держит в 10 раз больше заряда, чем существующие» . Физорг.com . 18 декабря 2007 г.
- Чан, СК; Пэн, Х; Лю, Г; Макилврат, К; Чжан, XF; Хаггинс, РА; Кюи, Ю (16 декабря 2007 г.). «Высокопроизводительные аноды литиевых батарей с использованием кремниевых нанопроволок». Природные нанотехнологии . 3 (1): 31–5. Бибкод : 2008NatNa...3...31C . дои : 10.1038/nnano.2007.411 . ПМИД 18654447 .
- «Краткое введение в литий-ионные аккумуляторы» . Амприус . 11 декабря 2009 г. Архивировано из оригинала 21 декабря 2009 г.
- Графен-кремниевые аноды для литий-ионных аккумуляторов выходят на рынок .
- XGS представляет новые кремний-графеновые анодные материалы для литий-ионных аккумуляторов .
