Dizajni i së ardhmesbateri litium-jonduhet të jetë në gjendje të plotësojë kërkesat e pajisjeve me konsum të lartë-energjie-, të tilla si automjetet e pastra elektrike, automjetet elektrike hibride me prizë dhe sistemet stacionare të ruajtjes së energjisë. Për materialet e reja anode në zhvillim, kapaciteti është një nga treguesit kryesorë të performancës. Bazuar në mekanizma të ndryshëm reagimi, disa materiale kandidate me kapacitete të larta teorike përfshijnë silicin (Si), germaniumin (Ge), monoksidin e silikonit (SiO), kallajin (Sn) dhe oksidin e tij (SnOz), me kapacitete tipike që variojnë nga 783 mA·g (për SnOz) deri në 4211 mA·h. Megjithëse këto materiale aliazh shfaqin avantazhe më të larta të kapacitetit specifik në krahasim me grafitin tradicional (372 mA·bg) dhe titanatin e litiumit (LTO, 175 mA·Ng), ndryshimet e volumit dhe humbja fillestare e pakthyeshme e kapacitetit që ato pësojnë gjatë ngarkimit dhe shkarkimit kufizojnë jetëgjatësinë e tyre. Për të kapërcyer këto probleme, studiuesit kanë eksploruar strategji të ndryshme, të tilla si zvogëlimi i madhësisë së grimcave në shkallë nano dhe përpjekja për të ndërtuar sisteme materialesh të përbëra që përmbajnë përbërës aktivë ose joaktivë të litiumit metalik. Midis këtyre metodave, kombinimi i arit aktiv të litiumit me materialet e aliazhit për të formuar një substrat tampon përcjellës ka treguar potencial në përmirësimin e performancës së ciklit. Për më tepër, përdorimi i morfologjive të ndryshme të nanostrukturave, të tilla si nanotelat ose nanotubat, është dëshmuar gjithashtu të jetë një qasje efektive për arritjen e materialeve ideale të anodës që kombinojnë kapacitet të lartë, performancë të mirë me shpejtësi dhe jetëgjatësi të gjatë të ciklit.
Si--Materiale anode me bazë silikoni
Materialet e anodës me bazë silikoni-përbëhen kryesisht nga silikoni i pastër, oksidi i silikonit dhe përbërësit e silikonit/karbonit. Për shkak të kapacitetit të tyre të lartë teorik, mirëdashjes ndaj mjedisit dhe rezervave të bollshme natyrore, ato konsiderohen gjerësisht si zgjedhja ideale për anodet e baterive të baterive të-gjeneratës së ardhshme{3}}me densitet të lartë-litium- me energji të lartë-. Shkencëtarët kinezë ishin të parët në botë që propozuan konceptin e aplikimit të silikonit në shkallë nano në bateritë me litium{7}}. Duke pasur parasysh burimet e bollshme të silikonit të Kinës dhe kapacitetin kryesor të prodhimit botëror të silikonit elementar-, rritja e përpjekjeve kërkimore dhe zhvillimore për materialet anode me bazë silikoni-dhe aplikimi i tyre në bateritë jonike{11}}litiumi është me rëndësi të madhe për zotërimin e teknologjive kyçe të{12}}baterieve të litiumit me performancë të lartë-{12}{12}{12} të së ardhmes.
Krahasuar me materialet tradicionale të anodës së grafitit, silici shfaq një kapacitet specifik teorik më të lartë (4211 mA·h/g) dhe një potencial relativisht më të ulët delitiimi (0.5V). Veçanërisht, tensioni i funksionimit të silikonit është pak më i lartë se ai i grafitit. Figura 5-9 ilustron rregullimin specifik atomik brenda një kristali silikoni. Gjatë karikimit, përdorimi i silikonit si anodë mund të zvogëlojë veshjen me litium të sipërfaqes, duke përmirësuar kështu sigurinë e baterisë. Për më tepër, silikoni është i bollshëm dhe i lirë. Megjithatë, aplikimi i silikonit në anodat e baterive litium{11}}jonike paraqet gjithashtu disa sfida. Si një material gjysmëpërçues, silikoni ka përçueshmëri të dobët. Pas cikleve të shkarkimit{12}}të shumëfishta, ndryshimet e konsiderueshme të volumit të shkaktuara nga futja dhe lëshimi i joneve të litiumit- mund të çojnë në thyerje të materialit, duke ndikuar në stabilitetin strukturor dhe duke shkaktuar potencialisht ndarjen e materialit aktiv nga kolektori aktual, duke ndikuar rëndë në jetën e ciklit të baterisë. Për më tepër, ky zgjerim i vëllimit pengon gjithashtu formimin e një filmi të qëndrueshëm dhe efektiv-në ndërfaqen e elektrolitit të gjendjes së ngurtë (SED) në sipërfaqen e silikonit. Shpërndarja e njëtrajtshme e silikonit të pastër ose e komponimeve të tij brenda një matrice karboni mund t'i lehtësojë deri diku këto probleme: nga njëra anë, përmirëson përçueshmërinë e përgjithshme elektronike të materialit të përbërë; nga ana tjetër, prania e karbonit ndihmon në zbutjen e stresit të shkaktuar nga ndryshimet e vëllimit të silikonit, duke reduktuar dëmtimin e strukturës së elektrodës; në të njëjtën kohë, karboni mund të nxisë formimin e qëndrueshëm të filmit SEI. Prandaj, materialet e përbëra që kombinojnë avantazhet e silikonit dhe karbonit konsiderohen si një nga kandidatët idealë të anodës për bateritë litium-jon me densitet të lartë-gjeneratës së ardhshme.
SiO
Përveç silikonit, monoksidi i silikonit (SiO) konsiderohet gjithashtu një material anodë kandidat për bateritë e litium-joneve për shkak të kapacitetit të tij teorik që tejkalon 1600 mA·h/g. Për më tepër, koordinimi i litium{3}}oksigjenit nënkupton ndryshime më të vogla të volumit dhe energji më të ulëta aktivizimi gjatë ngarkimit dhe shkarkimit. Reaksionet e mundshme elektrokimike gjatë këtij procesi përfshijnë shndërrimin e SiO në Si dhe LiO, e ndjekur nga formimi i një aliazhi silikoni-litiumi me Li; ose formimi i drejtpërdrejtë i një silikoni-aliazh litium dhe LixSiO2. Vlen të përmendet se SiO i pastër i ngurtë është termodinamikisht i paqëndrueshëm në çdo temperaturë dhe për këtë arsye mund të dekompozohet në Si dhe SiO2 në kushte specifike përmes një reaksioni disproporcioni. Ngjashëm me silikonin, SiO i nënshtrohet një zgjerimi ose tkurrjeje të konsiderueshme të vëllimit gjatë futjes dhe nxjerrjes së litiumit. Përveç kësaj, SiO ka përçueshmëri të dobët, duke rezultuar në ritme të ngadalta të hyrjes dhe daljes së joneve të litium{11}}. Për të adresuar këto çështje, për të rritur kapacitetin e kthyeshëm dhe për të përmirësuar stabilitetin e ciklit, studiuesit kanë eksploruar strategji të ndryshme. Midis tyre, teknologjia e veshjes së karbonit, reduktimi elektrokimik i litiumit në SiO dhe zvogëlimi i madhësisë së grimcave SiO konsiderohen qasje veçanërisht efektive. Në veçanti, kur kombinohet me grimca më të vogla dhe veshje karboni, rruga e difuzionit të joneve të litiumit mund të shkurtohet në mënyrë efektive, duke përmirësuar efikasitetin e përcjelljes së elektroneve dhe joneve, duke tejkaluar kështu sfidat e lartpërmendura.
GE
Germanium ka tërhequr vëmendje të konsiderueshme në kërkimin e materialit të anodës së baterive litium-jonike për shkak të kapacitetit të tij të lartë të ruajtjes së litiumit (1623 mA·h/g) në raportin stekiometrik Liz2Ge5 dhe procesit të tij të kthyeshëm të futjes dhe nxjerrjes së litiumit. Megjithëse germaniumi është më i shtrenjtë se silikoni dhe ka një kapacitet pak më të ulët, ai posedon avantazhe të rëndësishme, të tilla si përçueshmëri 10,000 herë më e madhe se silikoni dhe një hendek brezi prej vetëm 0,67 eV. Studimet kanë treguar se shpejtësia e difuzionit të joneve të litiumit në germanium është 15 herë më e shpejtë se në silikon në 360 gradë dhe 400 herë më e shpejtë në temperaturën e dhomës. Këto veti i japin germaniumit performancë të shkëlqyeshme-për shkarkimin aktual dhe efikasitet më të lartë të transportit të ngarkesës. Kjo performancë e lartë{15}}fuqie është veçanërisht e rëndësishme për aplikacionet që kërkojnë prodhim të fuqisë me performancë të lartë, si p.sh. automjetet elektrike. Megjithatë, ashtu si silikoni, edhe germaniumi përballet me problemin e zgjerimit të vëllimit deri në 300%, gjë që është bërë pengesë për aplikimin e tij praktik në bateritë e litiumit{19}}. Duke përdorur dizajne të nanostrukturës si nanogrimcat, nanotelat ose nanotubat, ndikimi negativ i ndryshimeve të vëllimit mund të zbutet në mënyrë efektive, duke përmirësuar kështu efikasitetin kulombik. Vlen të përmendet se përgatitja e nanogrimcave të germaniumit-përbërësve të substratit përcjellës duke përdorur metoda të thjeshta si piroliza në gjendje të ngurtë-mund të optimizojë më tej performancën elektrokimike të elektrodave.
SnO2
Dioksidi i kallajit (SnO2), i zhvilluar fillimisht nga Fujifilm, ka tërhequr vëmendjen e gjerë si një material elektrodë negative për bateritë e litiumit për shkak të kapacitetit të tij të lartë teorik dhe tensionit të ulët të funksionimit (afërsisht 0,6 eV, në krahasim me LiLi). Në procesin e reaksionit elektrokimik, ai së pari i nënshtrohet një hapi pjesërisht të pakthyeshëm, ku SnO2 reduktohet në kallaj metalik (Sn) dhe oksid litiumi (LiO); më pas, ndodh një fazë e kthyeshme, që përfshin formimin dhe dekompozimin e aliazhit të kallajit-litiumit. Teorikisht, çdo mol SnO2 mund të reagojë me 8.4 mol litium, që korrespondon me një kapacitet teorik prej 1491 mA·h/g. Megjithatë, duke pasur parasysh kthyeshmërinë e ulët të reaksionit fillestar të reduktimit, në aplikimet praktike, zakonisht merret parasysh vetëm kapaciteti efektiv i kontribuar nga procesi i mëpasshëm i aliazhit/çaliazhimit-afërsisht 783 mA·h/g- dhe kjo vlerë përdoret si kapacitet praktik teorik i materialit SnO2. Për më tepër, gjatë cikleve të ngarkimit{16}}, ky material pëson një zgjerim të konsiderueshëm të vëllimit (mbi 200%), duke çuar në humbje të rënda të kapacitetit. Për këtë qëllim, studiuesit janë të përkushtuar për të përmirësuar stabilitetin e çiklizmit të SnO2 dhe reduktimin e humbjeve të pakthyeshme të kapacitetit për shkak të ndryshimeve të vëllimit përmes metodave të ndryshme.