С момента коммерциализации литий-ионных батарей (ЛИБ) в последние два десятилетия, перезаряжаемые ЛИБ стали широко распространенным источником питания для портативных устройств, используемых в повседневной жизни.
Однако текущие требования требуют более высокой плотности энергии и плотности мощности батарей.
Производительность электрохимических ЛИБ может быть улучшена за счет применения нанопроволочных электродов, но их быстрое выцветание является одним из ключевых ограничений, и механизм должен быть четко понятен.
Однопроволочные наноэлектродные устройства рассматриваются как универсальная платформа для зондирования на месте прямой связи между электрическим транспортом, изменением структуры и другими свойствами однопроволочных электродов наряду с процессом зарядки/разрядки. Полученные результаты свидетельствуют о том, что снижение проводимости нанопроволочного электрода и структурное нарушение/разрушение во время электрохимической реакции ограничивают циклические характеристики ЛИБ. Основываясь на наблюдениях, предложены и использованы некоторые осуществимые стратегии оптимизации, включая прелитерирование, коаксиальную структуру, нанопроволочные массивы и архитектуру иерархической структуры для ограничения снижения проводимости и структурного нарушения/уничтожения. Кроме того, описывается применение нанопроволочных электродов в некоторых "нелитиево-ионных" батареях, таких как Li-S и Li-воздушные батареи.
Введение
Литий-ионные батареи (ЛИБ ), являются наиболее широко используемыми электрохимическими устройствами хранения энергии. ЛИБ обладают многими желательными свойствами, включая низкую стоимость, длительный срок службы, высокую плотность энергии, хорошую реверсивность и отсутствие загрязнения окружающей среды. ЛИБ работают по концепции "скального стула", в котором литий-ионы извлекаются из анода, диффундируют через электролит и интеркалируются в катод, в то время как процесс разрядки происходит наоборот. Поэтому обратимая емкость ЛИБ ограничивается количеством обмениваемых ионов/электронов и стабильностью структуры материала при интеркаляции/деинтеркаляции.
Перезаряжаемые ЛИБ стали широко распространенными источниками питания для мобильных телефонов, ноутбуков и других цифровых продуктов. И ЛИБ начали выходить на рынок транспортировки и крупномасштабного хранения энергии для сети. Эти многочисленные приложения повышают требования к ЛИБ, такие как более высокая плотность хранения энергии и более быстрый заряд/разряд. Эти требования особенно важны для дальнейшего применения в электромобилях, которые нуждаются в большой мощности для быстрого ускорения и рекуперации энергии во время торможения. Кроме того, поиск методов, выходящих за рамки литий-ионных, является существенной, но трудной задачей. В настоящее время мировое внимание привлекают два вида современных перезаряжаемых литиевых аккумуляторов - Li-S и Li-air.
Li-S батареи исследуются уже около 70 лет, но обеспечение плотности хранения энергии и стабильности циклов все еще остается сложной задачей; в то время как неводные Li-воздушные батареи до недавнего времени привлекали гораздо меньше внимания из-за их сверхвысокой емкости, но отсутствие понимания химического процесса, происходящего в клетках, и открытие новых материалов являются основными проблемами для Li-воздушных батарей. Как правило, Li-S и Li-воздушные батареи все еще нуждаются в дальнейших исследованиях, чтобы соответствовать требованиям коммерциализации.
Производительность устройств по хранению электрохимической энергии в значительной степени зависит от структуры материалов электродов. Развитие нанонауки и нанотехнологий открывает новые революционные возможности для достижения целей по улучшению ЛИБ. Одномерные (1D) наноструктуры, такие как провода, ленты, стержни, трубки и т.д., были широко изучены благодаря их интересным и уникальным электронным, оптическим, тепловым, механическим и магнитным свойствам. Для ЛИБ нанопроволочные электроды обеспечивают множество преимуществ:
- Облегчение прямого пути переноса электрона к электроду и меньшая радиальная длина диффузии Li+
- Обеспечение высокой площади поверхности, позволяющей создавать большие площади контакта электролита с электродами и сокращать время заряда-разряда
- Нанопровода обладают естественным геометрическим преимуществом для электрохимического зондирования на месте
Структурная и электрическая эволюция высокого разрешения может быть исследована путем создания однопроволочных устройств с устранением влияния неактивных материалов во время работы батареи.
Продолжение...