Nanowire pil - Nanowire battery

Bir nanotel pil kullanır Nanoteller birinin veya her ikisinin yüzey alanını artırmak için elektrotlar. Bazı tasarımlar (silikon, germanyum ve geçiş metal oksitler ), varyasyonları Lityum iyon batarya hiçbiri ticari olarak temin edilemese de duyurulmuştur. Tüm kavramlar geleneksel olanın yerini alıyor grafit anot ve pil performansını artırabilir.

Silikon

Silikon uygulamalar için çekici bir malzemedir lityum pil anotlar, çünkü avantajlı malzeme özellikleri sunar. Özellikle, silikonun düşük bir deşarj potansiyeli ve şu anda endüstride kullanılan tipik grafit anotlardan on kat daha yüksek bir teorik şarj kapasitesi vardır. Nanoteller elektrolit ile temas halindeki mevcut yüzey alanı miktarını artırarak bu özellikleri iyileştirebilir, böylece anotun güç yoğunluğu ve daha hızlı şarj ve daha yüksek akım dağıtımına izin verir. Bununla birlikte, pillerde silikon anotların kullanımı sırasında hacim genişlemesi nedeniyle sınırlandırılmıştır. lithiation. Silikon bu haliyle% 400 oranında şişer araya eklemeler şarj sırasında lityum, malzemenin bozulmasına neden olur. Bu hacim genişlemesi, hareketli bir litolaşma cephesinin hemen ardından çatlak yayılmasının neden olduğu anizotropik olarak gerçekleşir. Bu çatlaklar pulverizasyona ve ilk birkaç döngüde fark edilebilen önemli kapasite kaybına neden olur.[1]

Kasavajjula ve diğerleri tarafından yazılan kapsamlı 2007 Gözden Geçirme Makalesi.[2]lityum iyon ikincil hücreler için silikon bazlı anotlar üzerine yapılan erken araştırmaları özetler. Özellikle, Hong Li ve ark. [3] 2000 yılında, lityum iyonlarının silikon nanopartiküllere ve silikon nanotellere elektrokimyasal eklenmesinin, amorf bir Li-Si alaşımının oluşumuna yol açtığını gösterdi. Aynı yıl, Bo Gao ve doktora danışmanı Profesör Otto Zhou, elektrokimyasal hücrelerin, en az yaklaşık 900 ila 1500 mAh / g arasında değişen bir tersine çevrilebilir kapasiteye sahip silikon nanotellerden oluşan anotlarla çevrimini anlattı.[4]

Stanford Üniversitesi'nde yapılan araştırma gösteriyor ki silikon nanoteller (SiNW'ler) doğrudan mevcut toplayıcıda (aracılığıyla VLS büyüme yöntemleri) hacim genişlemesi ile ilişkili olumsuz etkileri ortadan kaldırabilir. Bu geometri çeşitli avantajlara sahiptir. Birincisi, nanotel çapı, litorizasyon sırasında kırılma olmaksızın hacim değişikliklerinin iyileştirilmesine izin verir. İkincisi, her bir nanotel, her biri toplam kapasiteye katkıda bulunabilecek şekilde mevcut toplayıcıya bağlanır. Üçüncüsü, nanoteller yük taşımacılığı için doğrudan yollardır; parçacık bazlı elektrotlarda, yükler, parçacıklar arası temas alanlarında gezinmeye zorlanır (daha az verimli bir işlem). Silikon nanotellerin teorik kapasitesi kabaca 4,200 mAh g ^ -1 olup, diğer silikon formlarının kapasitesinden daha büyüktür. Bu değer, LiC'nin tamamen lithiated durumunda teorik kapasitesi 372 mAh g ^ -1 olan grafit üzerinde önemli bir gelişme olduğunu gösterir.6 [5].

Ek araştırmalar, karbon kaplamaların silikon nanoteller üzerine biriktirilmesini içeriyordu, bu da malzemenin kararlı bir katı elektrolit ara faz (SEI) oluşacak şekilde stabilize edilmesine yardımcı oluyor. SEI, pilde meydana gelen elektrokimyanın kaçınılmaz bir yan ürünüdür; oluşumu, elektriksel olarak yalıtkan bir faz olduğundan (iyonik olarak iletken olmasına rağmen) bataryadaki kapasitenin azalmasına katkıda bulunur. Aynı zamanda birden fazla pil döngüsünde çözülebilir ve yeniden biçimlenebilir.[6] Bu nedenle, pil kullanıldıkça kapasite kaybının devam etmesini önlemek için kararlı bir SEI tercih edilir. Karbon, silikon nanoteller üzerine kaplandığında, 200 döngüden sonra ilk kapasitenin% 89'unda kapasite tutulması gözlemlendi. Bu kapasite tutma, günümüzde grafitik anotlarınki ile aynı seviyededir.[7]

Bir tasarım bir paslanmaz çelik silikon nanotellerle kaplı anot. Silikon on kat daha fazla depolar lityum grafitten daha fazla teklif enerji yoğunluğu. Geniş yüzey alanı anotların güç yoğunluğu, hızlı şarj ve yüksek akım dağıtımına izin verir. Anot şu tarihte icat edildi: Stanford Üniversitesi 2007 yılında.

Eylül 2010'da araştırmacılar, ilk depolama kapasitesinin yüzde 80'inin üzerinde olan 250 şarj döngüsü gösterdi.[8] Bununla birlikte, bazı çalışmalar, Si nanotel anotlarının, silikon nanotellerin hacimsel genişlemesinin neden olduğu daha fazla şarj döngüsü ile enerji kapasitesinde önemli ölçüde zayıflama gösterdiğine işaret etti. lithiation süreç. Araştırmacılar bu sorunu gidermek için birçok çözüm önerdiler: 2012'de yayınlanan sonuçlar nanotel anodundaki katışkıların pil performansını artırdığını gösterdi ve fosfor katkılı olduğu gösterildi. Si nanoteller bor ve katkısız ile karşılaştırıldığında daha iyi performans elde etti Nanotel elektrot;[9] Araştırmacılar ayrıca, nominal olarak katkısız silikon anodu çift duvarlı bir hale getirerek 6.000'den fazla kez çevrimden sonra başlangıç ​​kapasitesinin% 85'ini sürdürme olasılığını da gösterdiler. silikon nanotüp ile silikon oksit kaplama olarak iyon geçiren katman.[10]

Silikon nanotel tabanlı pil hücresi aynı zamanda boyutsal esnek enerji kaynağı için fırsat sağlar ve bu da giyilebilir teknolojik cihazın geliştirilmesine yol açar. Bilim adamı Rice Üniversitesi bu olasılığı, bir polimer matris içinde silikon nanotelin etrafına gözenekli bakır nano kabuklar biriktirerek gösterdi. Bu lityum-polimer silikon nanotel pil (LIOPSIL), 3.4V'luk yeterli operasyonel tam hücre voltajına sahiptir ve mekanik olarak esnek ve ölçeklenebilirdir.[11]

Ticarileştirmenin başlangıçta 2012'de gerçekleşmesi bekleniyordu,[12] ancak daha sonra 2014'e ertelendi.[13] İlgili bir şirket olan Amprius, 2013 yılında silikon ve diğer malzemelerle ilgili bir cihaz gönderdi.[13] Kanonik 22 Temmuz 2013 tarihinde, Ubuntu Edge akıllı telefon bir silikon anot lityum iyon pil içerir.[14]

Germanyum

Kullanan bir anot germanyum nanotel'in lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu ve döngü dayanıklılığını artırma kabiliyetine sahip olduğu iddia edildi. Silikon gibi, germanyum da yüksek bir teorik kapasiteye (1600 mAh g-1) sahiptir, şarj sırasında genişler ve az sayıda döngüden sonra parçalanır.[15][16] Bununla birlikte, germanyum lityumu silikondan 400 kat daha etkilidir, bu da onu çekici bir anot malzemesi yapar. Anotlar, 20–100C deşarj oranlarında bile 1100 döngüden sonra 900 mAh / g kapasiteyi koruduğunu iddia etti. Bu performans, mekanik olarak sağlam, sürekli gözenekli bir ağ oluşturmak için ilk 100 döngü içinde gerçekleşen nanotellerin yeniden yapılandırılmasına atfedildi. Yeniden yapılandırılan anot, oluşturulduktan sonra döngü başına yalnızca% 0,01 kapasite kaybeder.[17] Materyal, bu ilk döngülerden sonra toz haline gelmeye dayanabilen stabil bir yapı oluşturur. 2014 yılında, araştırmacılar, germanyum nanotellerini bir sulu çözelti.[18]

Geçiş metal oksitler

Geçiş metal oksitler (TMO), örneğin Cr2Ö3, Fe2Ö3, MnO2, Co3Ö4 ve PbO2, lityum iyon pil (LIB) ve diğer pil sistemleri için geleneksel hücre malzemelerine göre anot malzemeleri olarak birçok avantaja sahiptir.[19][20][21] Bazıları yüksek teorik enerji kapasitesine sahiptir ve doğal olarak bol miktarda bulunur, toksik değildir ve ayrıca çevre dostudur. Nanoyapılı pil elektrodu kavramı ortaya çıktıkça, deneyciler elektrot malzemeleri olarak TMO tabanlı nanotellerin olasılığını araştırmaya başlarlar. Bu kavramla ilgili bazı yeni araştırmalar aşağıdaki alt bölümde tartışılmaktadır.

Kurşun oksit anot

Kurşun asit pili en eski şarj edilebilir pil hücresi türüdür. Hammadde (PbO2) hücre üretimi için oldukça erişilebilir ve ucuzdur, kurşun asitli akü hücreleri nispeten küçük özgül enerjiye sahiptir.[22] İşlem döngüsü sırasında macun kalınlaştırma etkisi (hacimsel genleşme etkisi) aynı zamanda elektrolitin etkili akışını da engeller. Bu sorunlar, hücrenin enerji yoğun bazı görevleri yerine getirme potansiyelini sınırladı.

2014 yılında, deneyci başarıyla PbO elde etti2 basit şablon aracılığıyla nanotel Elektrodepozisyon. Bu nanotelin kurşun asit batarya için anod olarak performansı da değerlendirildi. Büyük ölçüde artan yüzey alanı nedeniyle, bu hücre yaklaşık 190 mAh g'lik neredeyse sabit bir kapasite sunabildi.−1 1.000 döngüden sonra bile.[23][24] Bu sonuç, bu nano yapılı PbO'yu gösterdi.2 normal kurşun asit anot için oldukça ümit verici bir ikame olarak.

Manganez oksit

MnO2 her zaman için iyi bir aday olmuştur elektrot yüksek enerji kapasitesi, toksik olmaması ve maliyet etkinliği nedeniyle malzemeler. Bununla birlikte, şarj / boşaltma döngüsü sırasında kristal matrise lityum iyonu sokulması, önemli hacimsel genişlemeye neden olacaktır. Çalışma döngüsü sırasında bu etkiye karşı koymak için, bilim adamları son zamanlarda Li ile zenginleştirilmiş bir MnO üretme fikrini önerdiler.2 Li'nin nominal stoikiometrisine sahip nanotel2MnO3 için anot malzemeleri olarak LIB. Bu yeni önerilen anot malzemeleri, pil hücresinin 1279 mAh g enerji kapasitesine ulaşmasını sağlar−1 500 döngüden sonra bile 500 mA akım yoğunluğunda.[25] Bu performans, saf MnO'dan çok daha yüksektir2 anot veya MnO2 nanotel anot hücreleri.

Heteroyapı TMO'lar

Heterojunction Farklı geçiş metal oksitleri, bazen LIB'lerin daha çok yönlü bir performans potansiyeli sağlayabilir.

2013 yılında, araştırmacılar dallanmış bir Co sentezledi.3Ö4/ Fe2Ö3 Nanotel heteroyapı kullanma hidrotermal yöntem. Bu heterojonksiyon LIB hücresi için alternatif bir anot olarak kullanılabilir. Operasyonda, Co3Ö4 Fe daha verimli bir iyonik taşınımı destekler2Ö3 Yüzey alanını artırarak hücrenin teorik kapasitesini artırır. 980 mAh g'lik yüksek geri dönüşümlü kapasite−1 rapor edildi.[26]

Heterojen ZnCo fabrikasyon olasılığı2Ö4/ NiO nanotel dizileri anot da bazı çalışmalarda araştırılmıştır.[27] Bununla birlikte, bu malzemenin anot olarak verimi hala değerlendirilmelidir.

Altın

2016 yılında, California Üniversitesi, Irvine nanotellerde herhangi bir kırılma olmaksızın 200.000'den fazla şarj döngüsü yapabilen bir nanotel malzemenin icat edildiğini duyurdu. Teknoloji, çoğu uygulamada asla değiştirilmesi gerekmeyen pillere yol açabilir. altın nanoteller bir manganez dioksit pleksiglas benzeri bir kaplama jel elektrolit. Kombinasyon güvenilirdir ve arızaya karşı dayanıklıdır. Bir test elektrodunu yaklaşık 200.000 kez çevirdikten sonra, kapasite veya güç kaybı ya da herhangi bir nanotelde kırılma meydana gelmedi.[28]

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ Liu, X. H .; Zheng, H .; Zhong, L .; Huang, S .; Karki, K .; Zhang, L. Q .; Liu, Y .; Kushima, A .; Liang, W. T .; Wang, J. W .; Cho, J. H .; Epstein, E .; Dayeh, S. A .; Picraux, S. T .; Zhu, T .; Li, J .; Sullivan, J. P .; Cumings, J .; Wang, C .; Mao, S. X .; Ye, Z. Z .; Zhang, S .; Huang, J.Y. (2011). "Litolaşma sırasında Silikon Nanotellerin Anizotropik Şişmesi ve Kırılması". Nano Harfler. 11 (8): 3312–3318. Bibcode:2011NanoL..11.3312L. doi:10.1021 / nl201684d. PMID  21707052.
  2. ^ Kasavajjula, U .; Wang, C .; Appleby, A.J. C .. (2007). "Lityum iyon ikincil hücreler için nano ve yığın silikon bazlı ekleme anotları". Güç Kaynakları Dergisi. 163 (2): 1003–1039. Bibcode:2007JPS ... 163.1003K. doi:10.1016 / j.jpowsour.2006.09.084.
  3. ^ Li, H .; Huang, X .; Chenz, L.C .; Zhou, G .; Zhang, Z. (2000). "Oda sıcaklığında lityum yerleştirilmesi ve ekstraksiyonunun neden olduğu nano-Si anodunun kristal yapısal evrimi". Katı Hal İyonikleri. 135 (1–4): 181–191. doi:10.1016 / S0167-2738 (00) 00362-3.
  4. ^ Gao, B .; Sinha, S .; Fleming, L .; Zhou, O. (2001). "Nanoyapılı Silikonda Alaşım Oluşumu". Gelişmiş Malzemeler. 13 (11): 816–819. doi:10.1002 / 1521-4095 (200106) 13:11 <816 :: AID-ADMA816> 3.0.CO; 2-P.
  5. ^ Yüksek Kararlı Li-İyon Pil Anodu Olarak Grafen Aerojel ile Entegre Polimer Türetilmiş SiOC, ACS Başvurusu Mater. Arayüzler 2020, 12, 41, 46045–4605
  6. ^ Verma, P .; Maire, P .; Novák, P. (2010). "Li-ion pillerdeki katı elektrolit ara fazının özelliklerinin ve analizlerinin bir incelemesi". Electrochimica Açta. 55 (22): 6332–6341. doi:10.1016 / j.electacta.2010.05.072.
  7. ^ Park, M. H .; Kim, M. G .; Joo, J .; Kim, K .; Kim, J .; Ahn, S .; Cui, Y .; Cho, J. (2009). "Silikon Nanotüp Pil Anotları". Nano Harfler. 9 (11): 3844–3847. Bibcode:2009 NanoL ... 9.3844P. doi:10.1021 / nl902058c. PMID  19746961.
  8. ^ Garthwaite, Josie (15 Eylül 2010). "Amprius: Anottan Yukarıdan Daha İyi Bir Pil Oluşturma". Gigaom.com. Alındı 2011-09-26.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  9. ^ Chakrapani, Vidhya (2012). "Silikon nanotel anot: kapasite sınırlı döngü ile geliştirilmiş pil ömrü". Güç Kaynakları Dergisi. 205: 433–438. doi:10.1016 / j.jpowsour.2012.01.061.
  10. ^ Kohandehghan, Alireza (2014). "Nanometre ölçekli Sn kaplamalar, silikon nanotel LIB anotlarının performansını artırır". Malzeme Kimyası A Dergisi. 2 (29): 11261–11279. doi:10.1039 / c4ta00993b.
  11. ^ Vlad, Alexandru; Reddy, Arava Leela Mohana; Ajayan, Anakha; Singh, Neelam; Gohy, Jean-François; Melinte, Sorin; Ajayan, PulickelM (2012). "Nanotel pili silikon yongalardan toplayın". Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı. 109 (38): 15168–15173. Bibcode:2012PNAS..10915168V. doi:10.1073 / pnas.1208638109. PMC  3458382. PMID  22949696.
  12. ^ Lyle (21 Aralık 2007). "Silikon Nanowire Lityum İyon Pil Buluşunun Mucidi Dr. Cui ile Röportaj". GM-Volt.com. Alındı 2011-09-26.CS1 bakimi: ref = harv (bağlantı)
  13. ^ a b Newman, Jared (2013-05-23). "Amprius Daha İyi Bir Akıllı Telefon Pili Göndermeye Başladı | TIME.com". Zaman. Techland.time.com. Alındı 2013-06-04.
  14. ^ "Ubuntu Edge". indiegogo.com. 22 Temmuz 2013. Alındı 2013-07-22.
  15. ^ Pzt, 02/10/2014 - 13:09 (2014-02-10). "Araştırmacılar pil teknolojisinde çığır açıyor". Rdmag.com. Alındı 2014-04-27.
  16. ^ Chan, C. K .; Zhang, X. F .; Cui, Y. (2008). "Ge Nanotelleri Kullanan Yüksek Kapasiteli Li İyon Pil Anotları". Nano Harfler. 8 (1): 307–309. Bibcode:2008 NanoL ... 8..307C. doi:10.1021 / nl0727157. PMID  18095738.
  17. ^ Kennedy, T .; Mullane, E .; Geaney, H .; Osiak, M .; o’Dwyer, C .; Ryan, K.M. (2014). "Sürekli Gözenekli Ağın Yerinde Oluşumuyla 1000 Döngüyü Aşan Yüksek Performanslı Germanyum Nanotel Tabanlı Lityum İyon Pil Anotları". Nano Harfler. 14 (2): 716–23. Bibcode:2014NanoL..14..716K. doi:10.1021 / nl403979s. hdl:10344/7364. PMID  24417719.
  18. ^ Germanyum nanotellerini büyütmek için daha basit süreç, lityum iyon pilleri iyileştirebilir, Missouri S&T, 28 Ağustos 2014, Andrew Careaga
  19. ^ Nam, Ki Tae; Kim, Dong-Wan; Yoo, Pil J; Chiang, Chung-Yi; Meethong, Nonglak; Hammond, Paula T; Çan, Yet-Ming; Belcher, Angela M (2006). "Lityum iyon pil elektrotları için nanotellerin virüs etkin sentezi ve montajı". Bilim. 312 (5775): 885–888. Bibcode:2006Sci ... 312..885N. CiteSeerX  10.1.1.395.4344. doi:10.1126 / science.1122716. PMID  16601154. S2CID  5105315.
  20. ^ Reddy, MV; Yu, Ting; Sow, Chorng-Haur; Shen, Ze Xiang; Lim, Chwee Teck; Subba Rao, GV; Chowdari, BVR (2007). "Li-İyon Piller için Anot Malzemesi olarak α-Fe2O3 Nanoflakanlar". Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler. 17 (15): 2792–2799. doi:10.1002 / adfm.200601186.
  21. ^ Dupont, Loic; Laruelle, Stephane; Grugeon, Sylvie; Dickinson, C; Zhou, W; Tarascon, J-M (2008). "Lityum pillerde negatif elektrot olarak Mezogözenekli Cr2O3: polimerik katman oluşumu üzerindeki doku etkisinin TEM çalışması". Güç Kaynakları Dergisi. 175 (1): 502–509. Bibcode:2008JPS ... 175..502D. doi:10.1016 / j.jpowsour.2007.09.084.
  22. ^ Pavlov, Detchko (2011). Kurşun asitli aküler: bilim ve teknoloji: bilim ve teknoloji. Elsevier.
  23. ^ Moncada, Alessandra; Piazza, Salvatore; Sunseri, Carmelo; Inguanta Rosalinda (2015). "Kurşun-asit batarya için PbO2 nanotel elektrotlarında son gelişmeler". Güç Kaynakları Dergisi. 275: 181–188. Bibcode:2015JPS ... 275..181M. doi:10.1016 / j.jpowsour.2014.10.189.
  24. ^ Moncada, A; Mistretta, M.C; Randazzo, S; Piazza, S; Sunseri, C; Inguanta, R (2014). "Kurşun-asit batarya için PbO2 nanotel elektrotlarının yüksek performansı". Güç Kaynakları Dergisi. 256: 72–79. Bibcode:2014JPS ... 256 ... 72M. doi:10.1016 / j.jpowsour.2014.01.050.
  25. ^ Wu, Xiaomin; Li, Huan; Fei, Hailong; Zheng, Cheng; Wei, Mingdeng (2014). "Lityum iyon pil katotları için Li2MnO3 nanotellerinin kolay sentezi". Yeni Kimya Dergisi. 38 (2): 584–587. doi:10.1039 / c3nj00997a.
  26. ^ Wu, Hao; Xu, Ming; Wang, Yongcheng; Zheng, Gengfeng (2013). "Yüksek kapasiteli lityum iyon pil anotları olarak dallanmış Co3O4 / Fe2O3 nanotelleri". Nano Araştırma. 6 (3): 167–173. doi:10.1007 / s12274-013-0292-z. S2CID  94870109.
  27. ^ Sun, Zhipeng; Ai, Wei; Liu, Jilei; Qi, Xiaoying; Wang, Yanlong; Zhu, Jianhui; Zhang, Hua; Yu Ting (2014). "Gelişmiş lityum iyon pil performansı ile hiyerarşik ZnCo2O4 / NiO çekirdek / kabuk nanotel dizilerinin kolay üretimi". Nano ölçek. 6 (12): 6563–6568. Bibcode:2014Nanos ... 6.6563S. doi:10.1039 / c4nr00533c. PMID  24796419. S2CID  25616445.
  28. ^ "Kimyagerler, sıra dışı şarj kapasitesiyle pil teknolojisi oluşturuyor". phys.org. Alındı 23 Nisan 2016.

Dış bağlantılar