Lityum iyon piller için nano mimariler - Nanoarchitectures for lithium-ion batteries

Lityum iyon piller için nano mimariler istihdam etme girişimleridir nanoteknoloji tasarımını geliştirmek lityum iyon piller. Lityum iyon pillerde araştırma geliştirmeye odaklanır enerji yoğunluğu, güç yoğunluğu, güvenlik, dayanıklılık ve maliyet.

Araştırma bölgeleri

Enerji yoğunluğu

Artan enerji yoğunluğu, daha fazla ekleme / çıkarma gerektirir iyonlar -den elektrotlar. Elektrot kapasiteleri üç farklı ölçü ile karşılaştırılır: kütle birimi başına kapasite ("spesifik enerji "veya" gravimetrik kapasite "), birim hacim başına kapasite (" hacimsel kapasite ") ve alana göre normalleştirilmiş spesifik kapasite (" alansal kapasite ").

Güç yoğunluğu

Ayrı çalışmalar, güç yoğunluğunu (şarj / deşarj oranı) iyileştirmeye odaklanır. Güç yoğunluğu, elektronik ve iyonik kütle ve yük taşımasına dayanmaktadır iletkenlik ve elektron transfer kinetiği; daha kısa mesafe ve daha geniş yüzey alanı ile kolay taşıma oranları iyileştirir.[1]

Anotlar

Karbon anotlar geleneksel olarak lityumun yeteneği nedeniyle kullanılır araya eklemek kabul edilemez hacimsel genişleme olmadan. İkincisi, pile zarar verir ve şarj için mevcut lityum miktarını azaltır. Azaltılmış interkalasyon kapasitesi sınırlar. Karbon bazlı anotlar, LiC için 372 mAh / g gravimetrik kapasiteye sahiptir6.[2]

Spesifik kapasite silikon karbondan yaklaşık on kat daha büyüktür. Si'nin atom yarıçapı 1.46'dır. angstroms Li'nin atom yarıçapı 2.05 angstromdur. Li oluşumu3.75Si, anodu aşamalı olarak tahrip ederek önemli hacimsel genişlemeye neden olur.[3] Anot mimarisinin nano ölçeğe indirgenmesi, iyileştirilmiş döngü ömrü ve azaltılmış çatlak yayılımı ve arızası gibi avantajlar sunar. Nano ölçekli parçacıklar, iletken bir bağlayıcı film içinde kritik kusur boyutunun altındadır.[2][4] Taşıma uzunluklarının azaltılması (anot ve katot arasındaki mesafe) omik kayıpları (direnç) azaltır.

Nanoyapı, yüzey alanı / hacim oranını arttırır, bu da elektrokimyasal olarak aktif alandaki artış ve taşıma uzunluklarındaki azalma nedeniyle hem enerji hem de güç yoğunluğunu iyileştirir. Bununla birlikte, artış aynı zamanda elektrot ve elektrolit arasındaki yan reaksiyonları da artırarak daha yüksek kendi kendine deşarj, daha az şarj / deşarj döngüsü ve daha düşük takvim ömrüne neden olur. Son zamanlarda yapılan bazı çalışmalar, elektrolit ayrışmasının veya elektrolit / elektrot reaksiyonlarının oluşmadığı aralıkta elektrokimyasal olarak aktif olan malzemeler geliştirmeye odaklanmıştır.[1]

Geleneksel olmayan mimariler

Lityum iyon pillerin ana parçalarının, yani anot, elektrolit ve katotun tek bir fonksiyonel molekülde birleştirildiği bir araştırma konsepti önerilmiştir. Langmuir-Blodgett yönteminin kullanılmasıyla hizalanan, iki akım toplayıcı arasına yerleştirilen bu tür işlevsel moleküllerden oluşan bir katman.[5] Fizibilite henüz doğrulanmadı.

Nanoyapılı mimariler

Pil tasarımlarının önemli bir çoğunluğu iki boyutludur ve katmanlı yapıya dayanır.[6] Son araştırmalar elektrotları üç boyuta aldı. Bu, pil kapasitesinde önemli gelişmeler sağlar; 2d kalınlıkta bir film elektrot ve bir 3d dizi elektrot arasında alan kapasitesinde önemli bir artış meydana gelir.[7]

Üç boyutlu ince filmler

Katı hal piller, geleneksel ince film pillere en çok benzeyen geometriyi kullanır. Üç boyutlu ince filmler, elektrokimyasal olarak aktif alanı artırmak için üçüncü boyutu kullanır. İnce film iki boyutlu piller 2-5 mikrometre arasında sınırlandırılmıştır ve alan kapasitesini üç boyutlu geometrilerden önemli ölçüde daha azıyla sınırlandırır.

Delikli bir alt tabaka kullanılarak boyut artırılır. Perforasyon oluşturmanın bir yolu, silikon üzerinde endüktif birleşik plazma aşındırmasıdır.[8]

Yaklaşan başka biri çok kullandı anizotropik Derin hendekler oluşturmak için bir silikon substratın elektrokimyasal veya reaktif iyon aşındırma yoluyla aşındırılması. Bir pil için gerekli katmanlar, bir anot, ayırıcı ve katot, daha sonra düşük basınçla eklenmiştir. kimyasal buhar birikimi. Pil, bir katı hal elektroliti ile ince bir katodik tabakadan ayrılan ince bir aktif silikon tabakadan oluşur. Elektrokimyasal olarak aktif alan, çatlak yayılması için kritik boyuttan daha küçük olan 50 nm nanopartiküllerden oluşur.[9]

Birbirine bağlı elektrotlar

Diğer bir mimari, anodik ve katodik kutupların periyodik olarak gruplandırılmasıdır. Bu tasarım için güç ve enerji yoğunluğu elektrot ayrımını en aza indirerek maksimize edilir. Doğuştan gelen tekdüze olmayan akım yoğunluğu oluşur ve hücre verimini düşürür, kararlılığı azaltır ve hücre içinde tek tip olmayan ısıtma üretir. İki boyutlu bir bataryaya göre, üzerinde taşınması gereken uzunluk (L) üçte iki oranında azaltılır, bu da kinetiği geliştirir ve omik kayıpları azaltır. L'nin optimizasyonu, alan kapasitesinde önemli bir iyileşmeye yol açabilir; 500 mikrometre boyut ölçeğindeki bir L, karşılaştırılabilir iki boyutlu bir bataryaya göre kapasitede% 350 artışla sonuçlanır. Bununla birlikte, omik kayıplar L ile artar ve sonunda L'yi artırarak elde edilen artışı telafi eder.

Bu geometri için dört ana tasarım önerildi: anot ve katot sıraları, alternatif anotlar ve katotlar, altıgen olarak paketlenmiş 1: 2 anotlar: katotlar ve sıradaki en yakın komşuların 180 derece döndürüldüğü alternatif anodik ve katodik üçgen kutuplar.

Sıra tasarımı büyük, tek tip olmayan bir akım dağılımına sahiptir. Alternatif tasarım, çok sayıda zıt elektrot verildiğinde daha iyi bir homojenlik sergiler. polarite. Düzgün olmayan akım yoğunluğuna duyarlı anot veya katotlu sistemler için eşit olmayan sayıda katot ve anot kullanılabilir; 2: 1 altıgen tasarım, anotta tek tip bir akım yoğunluğuna, ancak katotta tek tip olmayan bir akım dağılımına izin verir. Direklerin şekli değiştirilerek performans artırılabilir. Üçgen tasarım, mevcut tekdüzelikten ödün vererek hücre kapasitesini ve gücünü artırır.[6] Benzer bir sistem, direkler yerine birbirine kenetlenmiş plakalar kullanır.[6]

2013 yılında araştırmacılar kullandı Katmanlı üretim yığılmış, birbirine kenetlenmiş elektrotlar oluşturmak için. Pil, bir kum tanesinden büyük değildi. İşlem, anotları ve katotları eskisinden daha yakın yerleştirdi. Anot için mürekkep, bir lityum metal oksit bileşiğinin nanopartikülleri ve diğerinin nanopartiküllerinden katot mürekkebi idi. Yazıcı, mürekkepleri iki altın tarağın dişlerine yerleştirerek iç içe geçmiş bir anot ve katot yığını oluşturdu.[10][11]

Eş merkezli elektrotlar

Eş merkezli silindir tasarımı, iç içe geçmiş kutuplara benzer. Ayrık anot ve katot kutupları yerine anot veya katot, elektrolit ile kaplanmış bir kutup olarak tutulur. Diğer elektrot, anot / katotun bulunduğu sürekli faz görevi görür. Ana avantaj, elektrolit miktarının azalması ve enerji yoğunluğunun artmasıdır. Bu tasarım, birbirine bağlı sistem gibi kısa bir taşıma mesafesini korur ve böylece omik kayıpları en aza indirirken, şarj ve toplu taşıma için benzer bir faydaya sahiptir.[6]

Ters opal

Üç boyutlu sıralı makro gözenekli (3DOM) karbon anot oluşturmak için eşmerkezli silindir paket partiküllerin veya yakın paketlenmiş polimerin bir versiyonu. Bu sistem, koloidal kristal şablonlama, elektrokimyasal ince film büyütme ve yumuşak sol-jel kimyası kullanılarak üretilmiştir. 3DOM malzemeleri, birbirine bağlı ve kapalı paketli alt mikrometre boşlukları çevreleyen benzersiz bir nanometre kalınlığında duvar yapısına sahiptir. 3DOM yapısı ince bir polimer katmanla kaplanır ve ardından ikinci iletken faz ile doldurulur. Bu yöntem, kısa nakil uzunluklarına, yüksek iyonik iletkenliğe ve makul elektrik iletkenliğine sahip bir bataryaya yol açar. Elektrokimyasal performansa katkıda bulunmayan katkı maddelerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Başlangıç ​​kapasitesini arttırmak için kalay oksit nanopartiküller ile kaplama yapılarak performans iyileştirilebilir.[12] Kaplama, tek tip kalınlık üretmek için 3DOM yapısı tarafından oluşturulan ağa sızar.

Nanoteller ve nanotüpler

Nanowire ve nanotüpler çeşitli pil bileşenleri ile entegre edilmiştir. Bu ilginin nedeni nakliye uzunluklarının kısalması, bozulmaya karşı direnç ve depolamadır. Karbon nanotüpler (CNT) için, lityum iyonları dış yüzeyde, nanotüpler arasındaki ara bölgelerde ve tüpün iç kısmında depolanabilir.[13]

Nanoteller, yerleşik bir iletken yük toplayıcı sağlamak ve kapasiteyi artırmak için anot / katot matrisine dahil edilmiştir. Nanoteller, aktif malzemenin bir substrat üzerine basılmasına izin veren çözüme dayalı bir yöntemle birleştirildi.[14]

Başka bir yaklaşım, bir CNT-selüloz bileşiği kullanır. CNT'ler, termal CVD ile bir silikon substrat üzerinde büyütüldü ve daha sonra selüloz. Son olarak CNT'lerin karşısındaki selülozun üstüne bir lityum elektrot eklenir.[15]

2007 Si Nanoteller bir buhar-sıvı katı büyütme yöntemi ile çelik bir substrat üzerinde imal edilmiştir. Bu nanoteller, silikon için teorik değere yakın bir performans sergiledi ve birinci ila ikinci döngü arasında% 20'lik bir düşüşün ardından yalnızca minimum solma gösterdi. Bu performans, mevcut toplayıcıyla iyi temas sağlarken ve nanotel boyunca verimli 1D elektron taşınmasını korurken, büyük türlerin konaklamasına izin veren kolay gerinim gevşemesine atfedilir.[16]

Aperiodik elektrotlar

Periyodik yapılar, verimliliği düşüren ve kararlılığı azaltan tek tip olmayan akım yoğunluklarına yol açar. Periyodik olmayan yapı tipik olarak her ikisinden de yapılır aerojeller veya biraz daha yoğun belirsizlikler[17] gözenekli, periyodik olmayan bir sünger oluşturur. Aerojeller ve ambigeller ıslak jellerden oluşturulur; ıslak jeller, kılcal kuvvetler oluşmayacak şekilde kurutulduğunda aerojeller oluşurken, ambigeller kılcal kuvvetleri en aza indiren koşullar altında kurutulan ıslak jellerdir.[18] Aerojeller ve belirsizlikler, malzemenin% 75-99'unun "açık" olması, ancak 10 nm düzeyinde bir katı tarafından nüfuz ederek 10 ila 100 nm civarında gözeneklere neden olması bakımından benzersizdir. Katı kovalent olarak ağa bağlıdır ve topaklaşmaya karşı dirençlidir ve sinterleme. Periyodikliğin ötesinde, bu yapılar kullanılır çünkü gözenekli yapı malzeme boyunca hızlı difüzyona izin verir ve gözenekli yapı geniş bir reaksiyon yüzeyi sağlar. İmalat, ambigelin bir polimer elektrolit ile kaplanması ve ardından boşluğun RuO2 anot görevi gören kolloidler.[19]

Uygun kaplamalar

Tasarımların çoğu yarı hücre deneyleriydi; sadece anot veya katot testi. Geometriler daha karmaşık hale geldikçe, tasarımı elektrolit malzemelerle doldurmak için ters yüklü elektrotu sağlayan görüş hattı olmayan yöntemler gereklidir. Bu piller, performanslarını ve kararlılıklarını artırmak için çeşitli malzemelerle kaplanabilir. Bununla birlikte, kimyasal ve fiziksel heterojenlik, moleküler düzeyde kontrolü, özellikle enerji depolamaya yönelik elektrokimya hataya toleranslı olmadığından, önemli bir zorluk bırakmaktadır.[19]

Katman katman (LbL)

LbL yaklaşımlar, 3d nano mimariyi kaplamak için kullanılır. Yüklü bir polimeri zıt yüklü bir yüzeye elektrostatik olarak bağlamak, yüzeyi polimerle kaplar. Zıt olarak yüklenmiş polimerin tekrarlanan adımları, iyi kontrol edilen kalın bir tabaka oluşturur. Polielektrolit filmler ve ultra ince (5 nm'den az) elektroaktif polimer, bu yöntem kullanılarak düzlemsel substratlar üzerinde biriktirildi. Bununla birlikte, polimerlerin karmaşık geometriler içinde biriktirilmesiyle ilgili sorunlar vardır, örn. 50-300 nm boyut ölçeğindeki gözenekler kusurlu kaplamalara neden olur. Potansiyel bir çözüm, kendi kendini sınırlayan yaklaşımları kullanmaktır.[19]

Atomik katman birikimi (ALD)

Kaplamaya başka bir yaklaşım, ALD alt tabakayı atomik hassasiyetle katman katman kaplar. Kesinlik, reaksiyonların aktif bir kimyasal içeren yüzeyle sınırlı olmasıdır. parça bir öncü ile reaksiyona giren; bu, kalınlığı tek tabakayla sınırlar. Bu kendi kendini sınırlayan büyüme, tam kaplamalar için gereklidir, çünkü biriktirme, diğer polimerik birimlerin kaplanmamış alanlara erişimini engellemez. Daha kalın numuneler, LbL'deki zıt yüklü polimerlerle dönüşümlü olarak gazların çevrilmesi ile üretilebilir. Uygulamada ALD, istenen kapsamı elde etmek için birkaç döngü gerektirebilir ve adalar, izole kristalitler veya nanopartiküller gibi çeşitli morfolojilerle sonuçlanabilir. Morfoloji elektrokimyasal davranışı değiştirebilir ve bu nedenle dikkatlice kontrol edilmelidir.[19]

ALD ayrıca lityum ve oksijen arasındaki reaktiviteyi artırmak için 3DOM karbon üzerine demir oksit biriktirmek için de kullanıldı. Daha sonra demir, karbonun oksijenle yıkıcı reaksiyonunu etkili bir şekilde azaltan ve boşaltma döngüsünü iyileştiren paladyum nanopartiküller ile kaplandı. Wang, bulguların 3DOm karbonun stabilize edildiğinde yeni performans standartlarını karşılayabileceğini gösterdiğini söyledi.[20]

Elektropolimerizasyon

Elektropolimerizasyon, 10 ila 100 nm arasında ince bir polimer film sağlar. Yalıtıcı bir polimerin elektropolimerizasyonu, aktif kısım korundukça kendi kendini sınırlayan birikimle sonuçlanır; Polimer, çözündürülmüş monomeri bloke edebiliyorsa ve sürekli büyümeyi engelleyebiliyorsa, birikme aynı zamanda kendi kendini sınırlayabilir. Elektrokimyasal değişkenlerin kontrolü ile, polianilin ve politiyofen kontrollü bir şekilde yatırılabilir. Stiren, metil metakrilat, fenoller ve diğer elektriksel olarak yalıtkan polimerler, iyonik taşınmaya izin veren, ancak kısa devreleri önlemek için elektriksel taşınmayı engelleyen bir ayırıcı görevi görmek üzere elektrotlar üzerine biriktirilmiştir. Mezogözenekli mangan dioksit ambigelleri, sulu asit içinde manganez dioksitin çözünmesini önleyecek şekilde 7-9 nm polimer filmleri ile korunmuştur. Tek tip kaplamalar, mimarinin monomer solüsyonu ile ıslatılmasını gerektirir; bu, gözenekli katıya benzer bir yüzey enerjisi sergileyen bir çözelti ile elde edilebilir. Katının sürekli olarak azalması ve taşınması zorlaştıkça, kaplamanın homojenliğini sağlamak için ön dengeleme gereklidir.[18]

Referanslar

  1. ^ a b Aricò, A. S .; Bruce, P .; Scrosati, B .; Tarascon, J. M .; Van Schalkwijk, W. (2005). "Gelişmiş enerji dönüşümü ve depolama cihazları için nanoyapılı malzemeler". Doğa Malzemeleri. 4 (5): 366–377. Bibcode:2005 NatMa ... 4..366A. doi:10.1038 / nmat1368. PMID  15867920.
  2. ^ a b Graetz, J .; Ahn, C.C .; Yazami, R .; Fultz, B. (2003). "Nanoyapılı Silikonda Yüksek Derecede Tersinir Lityum Depolama" (PDF). Elektrokimyasal ve Katı Hal Mektupları. 6 (9): A194. doi:10.1149/1.1596917.
  3. ^ Larcher, D .; Beattie, S .; Morcrette, M .; Edström, K.; Jumas, J. C .; Tarascon, J.M. (2007). "Li-ion piller için negatif elektrotlar olarak saf metaller alanında son bulgular ve beklentiler". Journal of Materials Chemistry. 17 (36): 3759. doi:10.1039 / B705421C.
  4. ^ Talyosef, Y .; Markovsky, B .; Lavi, R .; Salitra, G .; Aurbach, D .; Kovacheva, D .; Gorova, M .; Zhecheva, E .; Stoyanova, R. (2007). "LiMn'nin Nano ve Mikrosize Parçacıklarının Davranışını Karşılaştırma1.5Ni0.5Ö4 Li-İyon Piller için Katot Malzemeleri olarak Spinel ". Elektrokimya Derneği Dergisi. 154 (7): A682. doi:10.1149/1.2736657.
  5. ^ Aliev, A. (2017). "Tek katmanlı mimariye dayalı enerji dönüşümü ve depolama nanodaygıtları". Figshare. doi:10.6084 / m9.figshare.3442784.
  6. ^ a b c d Uzun, Jeffrey W .; Dunn, Bruce; Rolison, Debra R .; White, Henry S. (Ekim 2004). "Mimariler, Üç Boyutlu Pil". Chem. Rev. 104: 4463–4492. doi:10.1021 / cr020740l. PMID  15669159.
  7. ^ Dunn, Bruce; Uzun, Jeffrey W .; Rolison, Debra R. "Elektrik Enerjisi Depolamasını Küçültmek İçin Çok İşlevliyi Üç Boyutta Yeniden Düşünmek" (PDF). Electrochemical Society Arayüzü. 2008: 49–53.
  8. ^ Nathan, M .; Golodnitsky, D .; Yufit, V .; Strauss, E .; Ripenbein, T .; Shechtman, I .; Menkin, S .; Peled, E. (2005). "Otonom MEMS için üç boyutlu ince film Li-ion mikro piller". Mikroelektromekanik Sistemler Dergisi. 14 (5): 879–885. doi:10.1109 / JMEMS.2005.851860.
  9. ^ Pikul, J. H .; Gang Zhang, H .; Cho, J .; Braun, P. V .; Kral, W. P. (2013). "Birbirine ayrılmış üç boyutlu, iki sürekli nano-gözenekli elektrotlardan yüksek güçlü lityum iyon mikro piller". Doğa İletişimi. 4: 1732. Bibcode:2013NatCo ... 4.1732P. doi:10.1038 / ncomms2747. PMID  23591899.
  10. ^ Sun, K .; Wei, T. S .; Ahn, B. Y .; Seo, J. Y .; Dillon, S. J .; Lewis, J.A. (2013). "Birbirine Bağlı Li-İyon Mikro Batarya Mimarilerinin 3 Boyutlu Baskısı". Gelişmiş Malzemeler. 25 (33): 4539–4543. doi:10.1002 / adma.201301036.
  11. ^ "3 boyutlu baskı küçük tıbbi implantlara, elektronik cihazlara, robotlara ve daha fazlasına yol açabilir | Illinois'de mühendislik". Engineering.illinois.edu. 2013-06-19. Alındı 2013-06-23.
  12. ^ Ergang, N. S .; Lytle, J. C .; Lee, K. T .; S.M .; Smyrl, W. H .; Stein, A. (2006). "Üç Boyutlu İçine Giren Elektrokimyasal Hücre Sisteminin Temeli Olarak Fotonik Kristal Yapılar". Gelişmiş Malzemeler. 18 (13): 1750–1753. doi:10.1002 / adma.200600295.
  13. ^ Landi, B. J .; Ganter, M. J .; Schauerman, C. M .; Cress, C. D .; Raffaelle, R.P. (2008). "Tek Cidarlı Karbon Nanotüp Kağıt Elektrotlarının Lityum İyon Kapasitesi". Fiziksel Kimya C Dergisi. 112 (19): 7509–7515. doi:10.1021 / jp710921k.
  14. ^ Kiebele, A .; Gruner, G. (2007). "Karbon nanotüp tabanlı pil mimarisi". Uygulamalı Fizik Mektupları. 91 (14): 144104. Bibcode:2007ApPhL..91n4104K. doi:10.1063/1.2795328.
  15. ^ Pushparaj, Victor L .; Shaijumon, Manikoth M .; Kumar, Ashavani; Murugesan, Saravanababu; Ci, Lijie; Vajtai, Robert; Linhardt, Robert J .; Nalamasu, Omkaram; Ajayan, Pulickel M. (2007). "Nanokompozit kağıda dayalı esnek enerji depolama cihazları". PNAS. 104 (34): 13574–13577. Bibcode:2007PNAS..10413574P. doi:10.1073 / pnas.0706508104. PMC  1959422. PMID  17699622.
  16. ^ Chan, C. K .; Peng, H .; Liu, G .; McIlwrath, K .; Zhang, X. F .; Huggins, R. A .; Cui, Y. (2007). "Silikon nanoteller kullanan yüksek performanslı lityum pil anotları". Doğa Nanoteknolojisi. 3 (1): 31–35. Bibcode:2008 NatNa ... 3 ... 31C. doi:10.1038 / nnano.2007.411. PMID  18654447.
  17. ^ Shlyakhtin, Oleg A. "Sözlük - belirsiz". Nanoteknoloji terimleri sözlüğü. Erişim tarihi: April 2015. Tarih değerlerini kontrol edin: | erişim tarihi = (Yardım)
  18. ^ a b Rolison, D. R .; Long, J. W .; Lytle, J. C .; Fischer, A. E .; Rhodes, C. P .; McEvoy, T. M .; Bourg, M.E .; Lubers, A.M. (2009). "Enerji depolama ve dönüştürme için çok işlevli 3B nano mimariler". Chemical Society Yorumları. Kraliyet Kimya Derneği. 38 (1): 226–252. doi:10.1039 / B801151F. PMID  19088976.
  19. ^ a b c d Long, J. W .; Rolison, D.R. (2007). "Çok Fonksiyonlu Nano Mimarilere Giden Mimari Tasarım, İç Dekorasyon ve Üç Boyutlu Tesisat". Kimyasal Araştırma Hesapları. 40 (9): 854–862. doi:10.1021 / ar6000445. PMID  17530736.
  20. ^ Hayward, Ed (2015-02-25). "Daha iyi lityum hava pilleri için karbonun kararlılığını artırmak". Ar-Ge.