Σχεδιάζοντας καλύτερες μπαταρίες ιόντων λιθίου
Με την αύξηση του παγκόσμιου πληθυσμού και την ποιότητα ζωής, η ενέργεια έχει γίνει σημαντικό μέρος της καθημερινότητάς μας. Επί του παρόντος, η ανάγκη για κατανάλωση ενέργειας δεν ταιριάζει με την παραγωγή της. Η αποθήκευση ενέργειας έχει γίνει έτσι μια από τις μεγάλες προκλήσεις παγκοσμίως. Τα τελευταία χρόνια, μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αναπτυχθεί για χρήση σε ηλεκτρονικές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα, drones, ηλεκτρικά οχήματα, φορητούς υπολογιστές και έξυπνα δίκτυα. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποθηκεύουν και παρέχουν ενέργεια μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων.
Υπήρχαν πολλά μειονεκτήματα, όπως χαμηλή ισχύς, αργή φόρτιση, ακριβή, μικρή διάρκεια ζωής και ακατάλληλη σε δύσκολες συνθήκες εργασίας. Για να ξεπεραστούν αυτά, οι ερευνητές έχουν κάνει σημαντικές προσπάθειες για την ανάπτυξη καλύτερων υλικών ηλεκτροδίων. Ένα από τα πιο αναφερόμενα είναι το πεντοξείδιο του βαναδίου.
Αυτό το υλικό έχει μια μοναδική πολυεπίπεδη κρυσταλλική δομή που παρέχει παρεμβαλλόμενους χώρους για παρεμβαλλόμενα ιόντα λιθίου, έναν κρίσιμο παράγοντα για τη βελτίωση της απόδοσης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Σε μια από τις πρόσφατες εργασίες τους, μια ομάδα προσέγγισης στο Texas A&M University ανέλυσε τις δομές και την απόδοση του πεντοξειδίου του βαναδίου που χρησιμοποιείται ως υλικό ηλεκτροδίων.
Ανακάλυψαν μερικά βασικά χαρακτηριστικά που κάνουν το υλικό κατάλληλο για ηλεκτρόδια. Ως ηλεκτρόδιο, το υπεροξείδιο του βαναδίου έχει τρεις τρόπους παρεμβολής ιόντων λιθίου. Το πρώτο είναι το ιόν λιθίου που εισάγεται σε ένα στενό παράθυρο δυναμικού 2,5-4 V. Το δεύτερο είναι δύο εισαγόμενα ιόντα λιθίου στο ενδιάμεσο παράθυρο των 2-4 V. Το τρίτο είναι τρία εισαγόμενα ιόντα λιθίου μέσα στο ευρύ παράθυρο εάν είναι 1,5-4 V. Όπως γνωρίζουμε ότι η ηλεκτροχημική απόδοση μιας μπαταρίας κυριαρχείται από το πώς παρεμβάλλονται τα ιόντα λιθίου. Πώς ξέρουμε αν μια νέα μπαταρία είναι καλή; Αποδεικνύεται ότι υπάρχουν μερικοί παράγοντες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως «κανόνας» για τη μέτρηση της απόδοσής τους.
Ένα από αυτά ονομάζεται ζώνη υψηλής χωρητικότητας. Αυτός ο όρος εκφράζει μια νέα έννοια σχετικά με τη μέγιστη ικανότητα της συγκεκριμένης χωρητικότητας ενός V2 O5 ηλεκτρόδιο. Εν αναμονή των εφαρμοζόμενων πυκνοτήτων ρεύματος, μέσω ενός κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης, μπορεί να επιτευχθεί μια σειριακή χωρητικότητα εξόδου. Η τιμή της ζώνης υψηλότερης χωρητικότητας για κάθε λειτουργία εισαγωγής (ένα V2 O5 ηλεκτρόδιο) θα φτάσει στη βέλτιστη απόδοση. Αυτό μπορεί να απεικονιστεί ως η υψηλότερη κορυφή της συγκεκριμένης τιμής χωρητικότητας που βρίσκεται στη ζώνη υψηλής χωρητικότητας. Σε αυτά, αναζητούμε τη μέγιστη τιμή συγκεκριμένης ικανότητας.
Με βάση αυτή την ανακάλυψη, μπορούμε τώρα να βρούμε τον καλύτερο τρόπο να σχεδιάσουμε ένα ηλεκτρόδιο. Οι συμβουλές θα είναι, για παράδειγμα, η χρήση ιεραρχικών δομών για την αύξηση της ενεργειακής ισχύος. προσθήκη υλικών άνθρακα ή ιόντων για αύξηση της ενεργειακής πυκνότητας. και χρήση πορωδών συλλεκτών ρεύματος για αύξηση της χωρητικότητας.
Λεπτομέρειες μπορείτε να βρείτε στην εργασία:Yuan Yue and Hong Liang, Micro- and Nano-Structured Vanadium Pentoxide (V2 O5 ) για Electrodes of Lithium-Ion Batteries, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Advanced Energy Materials .
