◆അലോയ്{0}}തരം ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ
◆പരിവർത്തന{0}}തരം ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ
◆ലിഥിയം മെറ്റൽ ആനോഡ് വസ്തുക്കൾ
ചാർജ്ജിംഗ് പ്രക്രിയയിൽലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികൾ, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയൽ ലിഥിയം അയോണുകളും ഇലക്ട്രോണുകളും വഹിക്കുന്നതിൽ നിർണായക പങ്ക് വഹിക്കുന്നു, ഇത് ഊർജ്ജ സംഭരണത്തിനും പ്രകാശനത്തിനും അത്യന്താപേക്ഷിതമാണ്. ചെലവ് വീക്ഷണകോണിൽ, ഈ മെറ്റീരിയലുകൾ മൊത്തം ബാറ്ററി നിർമ്മാണ ചെലവിൻ്റെ 5% മുതൽ 15% വരെ വരും, ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി ഉൽപ്പാദനത്തിനുള്ള ഒഴിച്ചുകൂടാനാവാത്ത പ്രധാന അസംസ്കൃത വസ്തുക്കളിൽ ഒന്നായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. പോസിറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയൽ പോലെ, നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലും ലിഥിയം-അയോൺ ബാറ്ററി സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പുരോഗതിയെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നതിൽ വളരെ പ്രധാനപ്പെട്ട പങ്ക് വഹിക്കുന്നു. സമീപ വർഷങ്ങളിൽ, മെച്ചപ്പെട്ട ബാറ്ററി പ്രകടനത്തിനുള്ള ഡിമാൻഡ് വർധിച്ചതോടെ-പ്രത്യേകിച്ച്, ഉയർന്ന ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത, മെച്ചപ്പെട്ട സൈക്കിൾ സ്ഥിരത, സുരക്ഷ എന്നിവയ്ക്കുവേണ്ടിയുള്ള-ലിഥിയം അയോണിൻ്റെ പ്രധാന ഘടകങ്ങളിലൊന്നായ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലിൽ ഗവേഷകർ വളരെയധികം ശ്രദ്ധ ചെലുത്തിയിട്ടുണ്ട്-
ബാറ്ററികൾ. അനുയോജ്യമായ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലിന് ഇനിപ്പറയുന്ന സവിശേഷതകൾ ഉണ്ടായിരിക്കണം:
(1) കനംകുറഞ്ഞ, നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യാൻ കഴിയുന്നത്ര ലി ഉൾക്കൊള്ളുന്നു.
(2) ഉയർന്ന ബാറ്ററി ഔട്ട്പുട്ട് വോൾട്ടേജ് കൈവരിക്കാൻ സഹായിക്കുന്ന ലിഥിയം അയോൺ ഇൻസേർഷനും എക്സ്ട്രാക്ഷൻ റിയാക്ഷനുമുള്ള കുറഞ്ഞ റെഡോക്സ് സാധ്യത.
(3) നല്ല ഇലക്ട്രോണിക്, അയോണിക് ചാലകത.
(4) ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ലായകങ്ങളിൽ ലയിക്കാത്തതും ലിഥിയം ലവണങ്ങളുമായി പ്രതിപ്രവർത്തിക്കുന്നില്ല. (5) ചാർജ് ചെയ്യുന്നതിനും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുന്നതിനും ശേഷമുള്ള മികച്ച കെമിക്കൽ സ്ഥിരത, ഉയർന്ന സുരക്ഷാ പ്രകടനവും സൈക്കിൾ ലൈഫും, കുറഞ്ഞ സ്വയം ഡിസ്ചാർജ് നിരക്ക്.
(6) ചെലവുകുറഞ്ഞതും സമൃദ്ധമായ വിഭവങ്ങളും പരിസ്ഥിതി സൗഹൃദവും.
ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകളെ അവയുടെ രാസഘടനയെ അടിസ്ഥാനമാക്കി രണ്ട് പ്രധാന വിഭാഗങ്ങളായി തിരിക്കാം: കാർബൺ{0}}അധിഷ്ഠിത പദാർത്ഥങ്ങളും-കാർബൺ{2}}അധിഷ്ഠിത വസ്തുക്കളും. കാർബൺ അധിഷ്ഠിത പദാർത്ഥങ്ങളെ ഗ്രാഫിറ്റിക് കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകൾ, രൂപരഹിതമായ കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകൾ എന്നിങ്ങനെ വീണ്ടും വിഭജിക്കാം. സിലിക്കൺ{8}}അധിഷ്ഠിതവും ടൈറ്റാനിയം{9}}അധിഷ്ഠിതവും വിവിധ മെറ്റൽ ഓക്സൈഡുകളും-കാർബൺ{7}}അധിഷ്ഠിതമല്ലാത്ത മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഉൾപ്പെടുന്നു. നിലവിൽ, വിപണിയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ പ്രധാനമായും മൂന്ന് തരം ഉൾപ്പെടുന്നു: കാർബൺ{11}}അധിഷ്ഠിത വസ്തുക്കൾ, ലിഥിയം ടൈറ്റനേറ്റ് (LiTisOi2), സിലിക്കൺ ഉൾക്കൊള്ളുന്ന കാർബൺ സംയോജിത വസ്തുക്കൾ. കാർബൺ{14}}അടിസ്ഥാനത്തിലുള്ള വസ്തുക്കളെ ഗ്രാഫൈറ്റ് (പ്രകൃതിദത്തവും കൃത്രിമവുമായ ഗ്രാഫൈറ്റ്), സോഫ്റ്റ് കാർബൺ, ഹാർഡ് കാർബൺ എന്നിങ്ങനെ വിഭജിക്കാം. ഈ വിഭാഗങ്ങളിൽ, കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റിനാണ് ഏറ്റവും വലിയ വിപണി വിഹിതം.
ഇൻ്റർകലേറ്റഡ് ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകൾ
കാർബൺ വസ്തുക്കൾ
ലിഥിയം അയോൺ ബാറ്ററികളുടെ വികസനത്തിൽ, ആനോഡായി ആനോഡായി കാർബൺ അധിഷ്ഠിത വസ്തുക്കൾ-പയോഗിക്കുന്ന നവീകരണം ഈ സാങ്കേതികവിദ്യയിലെ ഒരു പ്രധാന മുന്നേറ്റം അടയാളപ്പെടുത്തുന്നു. ഇന്നുവരെ, മറ്റേതൊരു തരത്തിലുള്ള ആനോഡ് മെറ്റീരിയലിനും അതിൻ്റെ വില-ഫലപ്രാപ്തിയും പ്രകടനവുമായി പൊരുത്തപ്പെടാൻ കഴിയില്ല; അതിനാൽ, കാർബൺ അധിഷ്ഠിത പദാർത്ഥങ്ങൾ ഗണ്യമായ കാലത്തേക്ക് വലിയ-വ്യാവസായിക ആപ്ലിക്കേഷനുകൾക്കുള്ള പ്രാഥമിക തിരഞ്ഞെടുപ്പായി തുടരുമെന്ന് പ്രതീക്ഷിക്കുന്നു. ഗ്രാഫിറ്റൈസേഷൻ്റെ അളവിനെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, ആനോഡുകളായി ഉപയോഗിക്കുന്ന കാർബൺ{7}}അടിസ്ഥാന പദാർത്ഥങ്ങളെ ഗ്രാഫൈറ്റ്, സോഫ്റ്റ് കാർബൺ, ഹാർഡ് കാർബൺ എന്നിങ്ങനെ മൂന്ന് വിഭാഗങ്ങളായി തിരിക്കാം. ഗ്രാഫൈറ്റ് ഇതര കാർബൺ പദാർത്ഥങ്ങളെല്ലാം ഉയർന്ന താപനില പ്രോസസ്സിംഗ് സമയത്ത് ഗ്രാഫൈറ്റായി മാറാനുള്ള പ്രവണത കാണിക്കുന്നു; എന്നിരുന്നാലും, ചില പദാർത്ഥങ്ങൾ ഈ പരിവർത്തനത്തിന് കൂടുതൽ സാധ്യതയുള്ളവയാണ്, അവ മൃദുവായ കാർബൺ എന്ന് നിർവചിക്കപ്പെടുന്നു; പ്രക്രിയ പൂർത്തിയാക്കാൻ ബുദ്ധിമുട്ടുള്ളവയെ ഹാർഡ് കാർബൺ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. സാധാരണഗതിയിൽ, കൽക്കരി ടാർ അല്ലെങ്കിൽ പെട്രോളിയം പിച്ച് പോലുള്ള അസംസ്കൃത വസ്തുക്കളിൽ നിന്ന് മൃദുവായ കാർബൺ ലഭിക്കും; നേരെമറിച്ച്, ഫിനോളിക് റെസിൻ അല്ലെങ്കിൽ സുക്രോസ് പോലുള്ള ഘടകങ്ങളിൽ നിന്നാണ് ഹാർഡ് കാർബൺ കൂടുതലായി സമന്വയിപ്പിക്കപ്പെടുന്നത്. നിലവിൽ, സോഫ്റ്റ് കാർബൺ മേഖലയിൽ ഏറ്റവും കൂടുതൽ പഠിച്ച വിഷയങ്ങളിലൊന്നാണ് മെസോഫേസ് കാർബൺ മൈക്രോസ്ഫിയറുകൾ. ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളിൽ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡുകളായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ ഗ്രാഫിറ്റിക്,{14}}ഗ്രാഫിറ്റിക് ഇതര കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകൾക്ക് അതിൻ്റേതായ ഗുണങ്ങളും ദോഷങ്ങളുമുണ്ട്. ഇതിൻ്റെ അടിസ്ഥാനത്തിൽ, ഈ കാർബൺ വസ്തുക്കളുടെ പ്രതലത്തിൽ മാറ്റം വരുത്താനും അവയുടെ പ്രകടനം മെച്ചപ്പെടുത്താനും ഗവേഷകർ പലപ്പോഴും വിവിധ ഉപ{17}}സെഗ്മെൻ്റുകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു.
ഗ്രാഫൈറ്റിന്, ഒരു ലേയേർഡ് മെറ്റീരിയലായി (ചിത്രം 5-8), ഒരു sp2 ഹൈബ്രിഡ് അവസ്ഥയിൽ ക്രമീകരിച്ചിരിക്കുന്ന ആറ്റങ്ങളുടെ ഒരു ഷഡ്ഭുജ ചട്ടക്കൂട് ഉൾക്കൊള്ളുന്ന ഒരു ആന്തരിക ഘടനയുണ്ട്, രണ്ട് അളവുകളിൽ വ്യാപിക്കുന്നു. ഓരോ പാളിയിലും, കാർബൺ ആറ്റങ്ങൾ 0.142 nm കാർബൺ-കാർബൺ ആറ്റം ദൂരവും 345 kJ/mol ബോണ്ട് ഊർജ്ജവും ഉള്ള ശക്തമായ ഷഡ്ഭുജ ഗ്രിഡ് ഘടന ഉണ്ടാക്കുന്നു, അത് വളരെ ശക്തമായ സ്ഥിരത പ്രകടമാക്കുന്നു. ഇതിനു വിപരീതമായി, വ്യത്യസ്ത പാളികൾക്കിടയിലുള്ള കാർബൺ ആറ്റങ്ങൾ ദുർബലമായ വാൻ ഡെർ വാൽസ് ശക്തികളാൽ ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു, 0.3354 nm എന്ന അളന്ന ഇൻ്റർപ്ലാനർ സ്പെയ്സിംഗുമായി ബന്ധപ്പെട്ട് 16.7 kJ/mol മാത്രം പ്രതിപ്രവർത്തന ഊർജ്ജം. ലിഥിയം അയോണുകൾക്ക് ഗ്രാഫൈറ്റിൻ്റെ ആറ് കാർബൺ പാളികൾക്കിടയിൽ റിവേഴ്സിബിൾ ഇൻസേർഷനും എക്സ്ട്രാക്ഷനും നടത്താനും ലിഥിയം സംഭരിക്കുന്നതിന് LiC6 സംയുക്തങ്ങൾ രൂപീകരിക്കാനും കഴിയും. ഈ പ്രക്രിയയിൽ, ഇൻ്റർലേയർ സ്പെയ്സിംഗ് ഗണ്യമായി മാറുന്നു; LiC6-ന്, ഈ മൂല്യം 0.37 nm ആയി മാറുന്നു, അങ്ങനെ 372 mA·h/g എന്ന സൈദ്ധാന്തിക പരമാവധി നിർദ്ദിഷ്ട ശേഷി കൈവരിക്കുന്നു. കൂടാതെ, ഗ്രാഫൈറ്റിൻ്റെ മികച്ച ചാലകത മെറ്റീരിയലിനുള്ളിൽ അതിവേഗ ഇലക്ട്രോൺ മൈഗ്രേഷൻ സുഗമമാക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, ഒരു നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ, ഗ്രാഫൈറ്റ് ചില പോരായ്മകളും അവതരിപ്പിക്കുന്നു: താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ ലിഥിയം ഇൻസേർഷൻ/എക്സ്ട്രാക്ഷൻ വോൾട്ടേജ് പീഠഭൂമി ചാർജുചെയ്യുമ്പോഴോ ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴോ ലിഥിയം ഡെൻഡ്രൈറ്റുകളുടെ വളർച്ചയ്ക്ക് കാരണമാകും. ഈ ഡെൻഡ്രൈറ്റുകൾ ബാറ്ററി സെപ്പറേറ്ററിലേക്ക് തുളച്ചുകയറുമ്പോൾ, അവ ആന്തരിക ഷോർട്ട് സർക്യൂട്ടുകൾക്ക് കാരണമാകും, ഇത് തീപിടുത്തങ്ങളിലേക്കോ സ്ഫോടനങ്ങളിലേക്കോ നയിച്ചേക്കാം, ഇത് ബാറ്ററിയുടെ സുരക്ഷയെ ഭീഷണിപ്പെടുത്തുന്നു.
ചിത്രം 5-8 ഗ്രാഫൈറ്റ് ലേയേർഡ് ഘടനയുടെ സ്കീമാറ്റിക് ഡയഗ്രം
ഗ്രാഫൈറ്റിനെ പ്രധാനമായും രണ്ട് വിഭാഗങ്ങളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു: പ്രകൃതിദത്ത ഗ്രാഫൈറ്റ്, കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റ്. പ്രകൃതിദത്ത ഗ്രാഫൈറ്റ്, NG (നാച്ചുറൽ ഗ്രാഫൈറ്റ്) എന്ന് ചുരുക്കി വിളിക്കുന്നത്, പ്രകൃതിയിൽ നിന്ന് വേർതിരിച്ചെടുത്തതും ലളിതമായ പ്രോസസ്സിംഗിലൂടെ ലഭിക്കുന്നതുമായ ഉയർന്ന-കാർബൺ പദാർത്ഥത്തെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ലേയേർഡ് ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനയുടെ രണ്ട് വ്യത്യസ്ത രൂപങ്ങൾ ഇതിന് ഉണ്ട്: ഷഡ്ഭുജവും റോംബിക്. ഈ മെറ്റീരിയൽ കരുതൽ ശേഖരത്തിൽ മാത്രമല്ല, കുറഞ്ഞ ചെലവും പരിസ്ഥിതി സൗഹൃദവുമാണ്. എന്നിരുന്നാലും, ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററി ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ, ഉപരിതല പ്രവർത്തനത്തിൻ്റെ അസമമായ വിതരണവും പ്രകൃതിദത്ത ഗ്രാഫൈറ്റ് പൊടി കണങ്ങളുടെ വലിയ ധാന്യ വലുപ്പവും കാരണം, ഡിസ്ചാർജ് സൈക്കിളുകളിൽ അതിൻ്റെ ഉപരിതല ക്രിസ്റ്റൽ ഘടന എളുപ്പത്തിൽ കേടുവരുത്തുന്നു, ഇത് അസമമായ SEI ഫിലിം കവറേജിലേക്ക് നയിക്കുകയും ബാറ്ററിയുടെ പ്രാരംഭ കൂലോംബിക് കാര്യക്ഷമതയെയും നിരക്ക് പ്രകടനത്തെയും ബാധിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഈ വെല്ലുവിളികളെ മറികടക്കാൻ, ഗവേഷകർ പ്രകൃതിദത്ത ഗ്രാഫൈറ്റിൻ്റെ ഗുണങ്ങൾ മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് വിവിധ സാങ്കേതിക വിദ്യകൾ വികസിപ്പിച്ചെടുത്തിട്ടുണ്ട്, അതായത് സ്ഫെറോയിഡൈസേഷൻ, ഓക്സിഡേഷൻ ഉപരിതല ചികിത്സ, ഫ്ലൂറിനേഷൻ, ഉപരിതല കാർബൺ കോട്ടിംഗ്, അതിൻ്റെ ഉപരിതല സവിശേഷതകളും സൂക്ഷ്മഘടനയും ഒപ്റ്റിമൈസ് ചെയ്യാൻ ലക്ഷ്യമിടുന്നു.
എളുപ്പത്തിൽ ഗ്രാഫിറ്റൈസ് ചെയ്ത കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകളുടെ ഉയർന്ന-താപനില ഗ്രാഫിറ്റൈസേഷൻ വഴി കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റ് നിർമ്മിക്കാം. ലിഥിയം-അയൺ ബാറ്ററികളിലെ ആനോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഇത്തരത്തിലുള്ള മെറ്റീരിയൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. പ്രകൃതിദത്ത ഗ്രാഫൈറ്റുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റ് ദൈർഘ്യമേറിയ സൈക്കിൾ ലൈഫ്, ഉയർന്ന-താപനില സംഭരണ ശേഷി, ഉയർന്ന{5}}നിരക്ക് പ്രകടനം എന്നിവയിൽ കാര്യമായ നേട്ടങ്ങൾ പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ചൈനയിലെ പുതിയ ഊർജ വാഹനങ്ങളിൽ ഉപയോഗിക്കുന്ന ലിഥിയം{6}}അയോൺ ബാറ്ററികൾക്കായുള്ള ഇഷ്ടപ്പെട്ട ആനോഡ് മെറ്റീരിയലുകളിൽ ഒന്നാക്കി മാറ്റുന്നു. വലിയ പ്രത്യേക ശേഷിയും താരതമ്യേന കുറഞ്ഞ വിലയും കാരണം, കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റ് പവർ ബാറ്ററികളിലും മിഡ്-ഉയർന്ന{10}}ഉയർന്ന ഉപഭോക്തൃ ഇലക്ട്രോണിക്സ് ഉൽപ്പന്നങ്ങളിലും വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. സ്ഥിതിവിവരക്കണക്കുകൾ കാണിക്കുന്നത് 2021 ൽ, എല്ലാ ആനോഡ് മെറ്റീരിയൽ കയറ്റുമതിയുടെയും 84% കൃത്രിമ ഗ്രാഫൈറ്റാണ്.
ഗ്രാഫൈറ്റ് ഇതര കാർബൺ മെറ്റീരിയലുകളെ പ്രധാനമായും രണ്ട് വിഭാഗങ്ങളായി തിരിച്ചിരിക്കുന്നു: ഹാർഡ് കാർബൺ, സോഫ്റ്റ് കാർബൺ. വളരെ ഉയർന്ന ഊഷ്മാവിൽ (2800 ഡിഗ്രിക്ക് മുകളിൽ) പോലും ഗ്രാഫൈറ്റ് ഘടനയായി മാറാൻ പ്രയാസമുള്ള ഒരു തരം കാർബൺ മെറ്റീരിയലിനെയാണ് ഹാർഡ് കാർബൺ സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ചില പോളിമറുകൾ പൈറോലൈസ് ചെയ്താണ് ഈ വസ്തുക്കൾ സാധാരണയായി ലഭിക്കുന്നത്. പ്രത്യേകമായി, ഹാർഡ് കാർബണിൻ്റെ പൊതു സ്രോതസ്സുകളിൽ വിവിധ റെസിൻ കാർബണുകൾ ഉൾപ്പെടുന്നു (ഫിനോളിക് റെസിൻ, പോളിഫർഫ്യൂറിൽ ആൽക്കഹോൾ റെസിൻ PFA-C, എപ്പോക്സി റെസിനുകൾ), നിർദ്ദിഷ്ട പോളിമറുകളുടെ പൈറോളിസിസ് (പോളി വിനൈൽ ആൽക്കഹോൾ (PVA), പോളി വിനൈൽ ആൽക്കഹോൾ (PVA), പോളി വിനൈലിഡിൻ, കാർബണൈലിഡിൻ, കാർബണൈലിൻ ഫ്ലൂറൈഡ് (PVVLonit Flooride), കാർബൺ അസറ്റിലീൻ കറുപ്പ് പോലുള്ള കറുത്ത ഉൽപ്പന്നങ്ങൾ). തയ്യാറാക്കൽ പ്രക്രിയയിൽ, ഹാർഡ് കാർബണിനുള്ളിൽ ധാരാളം ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ രൂപം കൊള്ളുന്നു, ഇത് ലിഥിയം അയോണുകളെ കാർബൺ പാളികൾക്കിടയിൽ പരസ്പരം ബന്ധിപ്പിക്കാൻ മാത്രമല്ല, ഈ വൈകല്യമുള്ള പ്രദേശങ്ങൾ നികത്താനും അനുവദിക്കുന്നു, അങ്ങനെ ഈ മെറ്റീരിയലിൽ നിന്ന് നിർമ്മിച്ച ആനോഡുകൾക്ക് ഉയർന്ന പ്രത്യേക ശേഷി (350 മുതൽ 500 mA·b/g വരെ) നൽകുന്നു, ഇത് lithium മൊത്തത്തിലുള്ള ശേഷി മെച്ചപ്പെടുത്തുന്നതിന് വളരെ പ്രയോജനകരമാണ്{}}. എന്നിരുന്നാലും, മേൽപ്പറഞ്ഞ ലാറ്റിസ് വൈകല്യങ്ങൾ, ഹാർഡ് കാർബൺ ഒരു ആനോഡ് മെറ്റീരിയലായി ഉപയോഗിക്കുമ്പോൾ കുറഞ്ഞ പ്രാരംഭ കൊളംബിക് കാര്യക്ഷമതയ്ക്കും മോശം സൈക്കിൾ സ്ഥിരതയ്ക്കും കാരണമാകുന്നു. ഇന്നുവരെ, ഈ പ്രശ്നങ്ങൾ കാരണം, വാണിജ്യപരമായി ഉൽപ്പാദിപ്പിക്കുന്ന ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികളിൽ ഹാർഡ് കാർബൺ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിച്ചിട്ടില്ല, വലിയ തോതിൽ ഉപയോഗിക്കുന്നതിന് മുമ്പ് ചില തടസ്സങ്ങളുണ്ട്.
ഉയർന്ന-താപനിലയിൽ (2800 ഡിഗ്രിക്ക് മുകളിൽ) എളുപ്പത്തിൽ ഗ്രാഫിറ്റൈസ് ചെയ്യുന്ന രൂപരഹിതമായ കാർബൺ വസ്തുക്കളെയാണ് സോഫ്റ്റ് കാർബൺ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. ഈ പദാർത്ഥങ്ങളിൽ പിച്ച്, സൂചി കോക്ക്, പെട്രോളിയം കോക്ക്, കാർബൺ നാരുകൾ എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. മൃദുവായ കാർബണിലെ ഗ്രാഫിറ്റൈസേഷൻ്റെ താഴ്ന്ന നില കാരണം, അതിൻ്റെ ഘടനയിൽ നിരവധി വൈകല്യങ്ങൾ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു, ഇത് കൂടുതൽ ലിഥിയം അയോണുകളെ വിപരീതമായി ഉൾക്കൊള്ളാൻ അനുവദിക്കുന്നു; ഒരേസമയം, വലിയ ഇൻ്റർലേയർ സ്പെയ്സിംഗ് ഇലക്ട്രോലൈറ്റ് നുഴഞ്ഞുകയറ്റത്തെ പ്രോത്സാഹിപ്പിക്കുന്നു. അതിനാൽ, ഈ സ്വഭാവസവിശേഷതകളെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, പ്രാരംഭ ഡിസ്ചാർജ് സമയത്ത് മൃദുവായ കാർബൺ വസ്തുക്കൾ ഉയർന്ന ശേഷി പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, അതിൻ്റെ ഘടനാപരമായ അസ്ഥിരത കാരണം, അതിൻ്റെ മാറ്റാനാവാത്ത ശേഷിയും താരതമ്യേന ഉയർന്നതാണ്. കൂടാതെ, മൃദുവായ കാർബണിൻ്റെ ആന്തരിക ഘടനയിലെ ക്രമക്കേട് ലിഥിയം അയോൺ ആക്റ്റീവ് സൈറ്റുകളുടെ വ്യത്യസ്ത ഊർജ്ജ വിതരണത്തിലേക്ക് നയിക്കുന്നു, ഇത് ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും ഡിസ്ചാർജ് ചെയ്യുമ്പോഴും നിർവചിക്കപ്പെട്ട വോൾട്ടേജ് പീഠഭൂമിയുടെ അഭാവത്തിന് കാരണമാകുന്നു, ഇത് അതിൻ്റെ പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങളെ പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു.
ടൈറ്റാനിയം ഡയോക്സൈഡ്
ടൈറ്റാനിയം ഡയോക്സൈഡ് (TiO2) ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികൾക്കുള്ള ഒരു നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയലായി വലിയ സാധ്യത കാണിക്കുന്നു, വലിയ തോതിലുള്ള ഉൽപ്പാദനത്തിനും കുറഞ്ഞ ചിലവിനുമുള്ള സാധ്യത കാരണം മാത്രമല്ല, 1.5V (Li/Li യുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ) പ്രവർത്തന വോൾട്ടേജിൽ മികച്ച സുരക്ഷയും സ്ഥിരതയും പ്രകടമാക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. കൂടാതെ, TiO2 ന് ശ്രദ്ധേയമായ ഗുണങ്ങളുടെ ഒരു പരമ്പരയുണ്ട്: ഉയർന്ന ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ പ്രവർത്തനം, ശക്തമായ ഓക്സിഡൈസിംഗ് ശക്തി, നല്ല രാസ സ്ഥിരത, സമൃദ്ധമായ പ്രകൃതി വിഭവങ്ങൾ, വൈവിധ്യമാർന്ന ക്രിസ്റ്റൽ ഘടനകൾ.
ഈ ഗുണങ്ങൾ കൂട്ടായി TiO2-നെ ലിഥിയം അയൺ ബാറ്ററികൾക്ക് (പ്രത്യേകിച്ച് ഹൈബ്രിഡ് ഇലക്ട്രിക് വാഹനങ്ങളുടെ മേഖലയിൽ) അനുയോജ്യമായ നെഗറ്റീവ് ഇലക്ട്രോഡ് മെറ്റീരിയൽ തിരഞ്ഞെടുപ്പുകളിലൊന്നാക്കി മാറ്റുന്നു.
സൈദ്ധാന്തികമായി, TiO2 ൻ്റെ ഓരോ യൂണിറ്റ് പിണ്ഡത്തിനും ഒരു ലിഥിയം അയോൺ സംഭരിക്കാൻ കഴിയും, ഇത് 330 mA·h/g ശേഷിക്ക് തുല്യമാണ്, ഇത് LiTiO2 ൻ്റെ സൈദ്ധാന്തിക ശേഷിയുടെ ഏതാണ്ട് ഇരട്ടിയാണ്. എന്നിരുന്നാലും, പ്രായോഗികമായി, ഈ സൈദ്ധാന്തിക പരമാവധി ലിഥിയം സംഭരണ ശേഷി കൈവരിക്കുന്നത് വളരെ ബുദ്ധിമുട്ടാണെന്ന് കണ്ടെത്തി. പല ഘടകങ്ങളും ടൈറ്റാനിയം ഡയോക്സൈഡിലെ ലിഥിയം അയോൺ ഉൾപ്പെടുത്തലിനെയും വേർതിരിച്ചെടുക്കൽ കാര്യക്ഷമതയെയും സ്വാധീനിക്കുന്നു, മെറ്റീരിയലിൻ്റെ പരൽ സ്വഭാവം, കണികാ വലിപ്പം, ആന്തരിക ഘടനാപരമായ സവിശേഷതകൾ, നിർദ്ദിഷ്ട ഉപരിതല വിസ്തീർണ്ണം എന്നിവ ഉൾപ്പെടെ എന്നാൽ അതിൽ മാത്രം പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നില്ല. TiO2 വിവിധ ക്രിസ്റ്റൽ ഘട്ടങ്ങളിൽ നിലവിലുണ്ട് എന്നത് ശ്രദ്ധിക്കേണ്ടതാണ്, ഏറ്റവും അറിയപ്പെടുന്നത്-, ടെട്രാഗണൽ ക്രിസ്റ്റൽ സിസ്റ്റത്തിലെ റൂട്ടൈൽ, അനറ്റേസ് തരങ്ങൾ, ഓർത്തോഹോംബിക് ക്രിസ്റ്റൽ സിസ്റ്റത്തിലെ ബ്രൂക്കൈറ്റ് തരം എന്നിവയാണ്.