Dizajn budućnostilitijum{0}}jonske baterijemora biti u stanju ispuniti zahtjeve uređaja koji-potroše-veliku energiju, kao što su čista električna vozila, utični- hibridna električna vozila i stacionarni sistemi za pohranu energije. Za nove anodne materijale koji su u razvoju, kapacitet je jedan od ključnih pokazatelja učinka. Na osnovu različitih reakcionih mehanizama, neki materijali kandidati sa visokim teoretskim kapacitetima uključuju silicijum (Si), germanijum (Ge), silicijum monoksid (SiO), kalaj (Sn) i njegov oksid (SnOz), sa tipičnim kapacitetima u rasponu od 783 mA·g (za SnOz) do 4211 mA·g (za Si·h). Iako ovi materijali od legure pokazuju veće prednosti specifičnog kapaciteta u poređenju sa tradicionalnim grafitom (372 mA·bg) i litijum titanatom (LTO, 175 mA·Ng), promene zapremine i početni nepovratni gubitak kapaciteta kojima prolaze tokom punjenja i pražnjenja ograničavaju njihov životni vek. Da bi prevazišli ove probleme, istraživači su istraživali različite strategije, kao što je smanjenje veličine čestica na nanoskalu i pokušaj da se konstruišu sistemi kompozitnih materijala koji sadrže aktivne ili neaktivne metalne litijumske komponente. Među ovim metodama, kombinacija aktivnog litijum zlata sa legiranim materijalima za formiranje provodljive puferske podloge pokazala je potencijal u poboljšanju performansi ciklusa. Nadalje, korištenje različitih morfologija nanostruktura, kao što su nanožice ili nanocijevi, takođe se pokazalo kao efikasan pristup postizanju idealnih anodnih materijala koji kombinuju visok kapacitet, dobre performanse brzine i dug životni vijek.
Si--Anodni materijali na bazi silikona
Anodni materijali na bazi silicijuma{0}} uglavnom se sastoje od čistog silicijuma, silicijum oksida i kompozita silicijum/ugljik. Zbog svog visokog teoretskog kapaciteta, ekološke prihvatljivosti i obilnih prirodnih rezervi, oni se široko smatraju idealnim izborom za sljedeću-generaciju-energetske-litijumske-ionske anode za baterije visoke gustine. Kineski naučnici su prvi u svijetu predložili koncept primjene nanorazmjernog silicijuma na litijum{7}}jonske baterije. S obzirom na kineske bogate resurse silicijuma i-vodeći svjetski kapacitet proizvodnje elementarnog silicijuma, povećanje istraživačkih i razvojnih napora na silicijumskim{10}}anodnim materijalima i njihova primjena u litijum-jonskim baterijama je od velikog značaja za ovladavanje ključnim tehnologijama budućih litijum visokih{12}{12}{10}baterija{1}performansi.
U poređenju sa tradicionalnim grafitnim anodnim materijalima, silicijum pokazuje veći teoretski specifični kapacitet (4211 mA·h/g) i relativno niži potencijal delitacije (0,5V). Primjetno je da je radni napon silicija nešto veći od napona grafita. Slika 5-9 ilustruje specifičan atomski raspored unutar silicijumskog kristala. Tokom punjenja, korištenje silicija kao anode može smanjiti površinsku litijumsku prevlaku, čime se poboljšava sigurnost baterije. Štaviše, silicijum je u izobilju i jeftin. Međutim, primjena silicija na anode litijum{11}}ionskih baterija također predstavlja neke izazove. Kao poluprovodnički materijal, silicijum ima slabu provodljivost. Nakon više ciklusa punjenja{12}}pražnjenja, značajne promjene zapremine uzrokovane umetanjem i otpuštanjem litijum{14}}jona mogu dovesti do loma materijala, utičući na stabilnost strukture i potencijalno uzrokujući odvajanje aktivnog materijala od strujnog kolektora, ozbiljno utječući na vijek trajanja baterije. Nadalje, ovo proširenje volumena također ometa formiranje stabilnog i efikasnog-filma sučelja elektrolita u čvrstom stanju (SED) na površini silikona. Ujednačeno raspršivanje čistog silicijuma ili njegovih spojeva unutar karbonske matrice može donekle ublažiti ove probleme: s jedne strane, poboljšava ukupnu elektronsku provodljivost kompozitnog materijala; s druge strane, prisustvo ugljika pomaže u ublažavanju stresa uzrokovanog promjenama volumena silicija, smanjujući oštećenje strukture elektrode; istovremeno, ugljenik može promovirati stabilno formiranje SEI filma. Stoga se kompozitni materijali koji kombinuju prednosti silicijuma i ugljika smatraju jednim od idealnih kandidata za anode za sljedeću-generaciju litijum-jonskih baterija visoke{19}energetske{20}}e gustine.
SiO
Osim silicijuma, silicijum monoksid (SiO) se također smatra kandidatom za anodni materijal za litijum{0}}ionske baterije zbog njegovog teoretskog kapaciteta koji prelazi 1600 mA·h/g. Nadalje, koordinacija litijum-kiseonika podrazumijeva manje promjene zapremine i nižu energiju aktivacije tokom punjenja i pražnjenja. Potencijalne elektrohemijske reakcije tokom ovog procesa uključuju konverziju SiO u Si i LiO, nakon čega slijedi formiranje legure silicijum{5}}litijuma sa Li; ili direktno formiranje legure silicijuma{6}}litijuma i LixSiO2. Važno je napomenuti da je čisti čvrsti SiO termodinamički nestabilan na bilo kojoj temperaturi i stoga se može raspasti na Si i SiO2 pod specifičnim uslovima kroz reakciju disproporcionalnosti. Slično silicijumu, SiO podleže značajnom proširenju ili kontrakciji zapremine tokom umetanja i ekstrakcije litijuma. Osim toga, SiO ima slabu provodljivost, što rezultira sporim ulaskom i izlaskom litijum{11}jona. Kako bi se pozabavili ovim problemima, poboljšali reverzibilni kapacitet i poboljšali stabilnost ciklusa, istraživači su istražili različite strategije. Među njima, tehnologija prevlake ugljenikom, elektrohemijska redukcija litijuma u SiO i smanjenje veličine čestica SiO smatraju se posebno efikasnim pristupima. Konkretno, kada se kombinuje sa manjim česticama i ugljeničnim prevlakama, put difuzije litijum jona može se efikasno skratiti, uz poboljšanje efikasnosti provodljivosti elektrona i jona, čime se prevazilaze gore navedeni izazovi.
GE
Germanij je privukao značajnu pažnju u istraživanju materijala anode litijum{0}}ionskih baterija zbog svog visokog kapaciteta skladištenja litijuma (1623 mA·h/g) pri stehiometrijskom omjeru Liz2Ge5 i njegovog reverzibilnog procesa umetanja i ekstrakcije litijuma. Iako je germanijum skuplji od silicijuma i ima nešto manji kapacitet, on ima značajne prednosti, kao što je provodljivost 10.000 puta veća od silicijuma i pojas od samo 0,67 eV. Studije su pokazale da je brzina difuzije litijum jona u germanijumu 15 puta brža nego u silicijumu na 360 stepeni i 400 puta brža na sobnoj temperaturi. Ova svojstva daju germaniju odlične performanse pražnjenja velike{13}}trenutne struje i veću efikasnost transporta punjenja. Ove visoke{15}}performanse snage su posebno važne za aplikacije koje zahtijevaju visoke{16}}izlazne snage, kao što su električna vozila. Međutim, slično kao i silicijum, germanijum se takođe suočava sa problemom proširenja zapremine do 300%, što je postalo prepreka njegovoj praktičnoj primeni u litijum{19}}jonskim baterijama. Korišćenjem dizajna nanostrukture kao što su nanočestice, nanožice ili nanocevi, negativan uticaj promena zapremine može se efikasno ublažiti, čime se poboljšava kulombička efikasnost. Vrijedi napomenuti da priprema kompozita nanočestica germanija-provodljivih supstrata korištenjem jednostavnih metoda kao što je piroliza u čvrstom stanju-može dodatno optimizirati elektrohemijske performanse elektroda.
SnO2
Kalitar dioksid (SnO2), koji je prvobitno razvio Fujifilm, privukao je široku pažnju kao materijal negativne elektrode za litijum{1}}ionske baterije zbog svog visokog teoretskog kapaciteta i niskog radnog napona (približno 0,6 eV, u odnosu na LiLi). U procesu elektrohemijske reakcije, prvo prolazi kroz djelomično ireverzibilni korak, gdje se SnO2 reducira u metalni kalaj (Sn) i litijum oksid (LiO); nakon toga dolazi do reverzibilne faze, koja uključuje formiranje i razlaganje legure kalaja{5}}litijum. Teoretski, svaki mol SnO2 može reagovati sa 8,4 mola litijuma, što odgovara teoretskom kapacitetu od 1491 mA·h/g. Međutim, s obzirom na nisku reverzibilnost početne reakcije redukcije, u praktičnim primjenama, obično se uzima u obzir samo efektivni kapacitet koji doprinosi naknadnim procesom legiranja/razblaživanja-približno 783 mA·h/g-, a ova vrijednost se koristi kao praktični teoretski kapacitet SnO2 materijala. Nadalje, tokom ciklusa punjenja{16}}pražnjenja, ovaj materijal prolazi kroz značajno proširenje zapremine (preko 200%), što dovodi do ozbiljnog gubitka kapaciteta. U tu svrhu, istraživači su posvećeni poboljšanju ciklične stabilnosti SnO2 i smanjenju nepovratnog gubitka kapaciteta zbog promjena zapremine kroz različite metode.