Nanotel pil - Nanowire battery

Bir nanotel pil , elektrotlarından birinin veya her ikisinin yüzey alanını artırmak için nanotelleri kullanır . Bazı tasarımlar (silikon, germanyum ve geçiş metali oksitleri ), lityum iyon pilin varyasyonları duyuruldu, ancak hiçbiri ticari olarak mevcut değil. Tüm konseptler geleneksel grafit anotun yerini alır ve pil performansını iyileştirebilir.

Silikon

Silikon , avantajlı malzeme özellikleri sunduğu için lityum pil anotları gibi uygulamalar için çekici bir malzemedir . Özellikle, silikonun düşük deşarj potansiyeli ve şu anda endüstride kullanılan tipik grafit anotlardan on kat daha yüksek teorik şarj kapasitesi vardır. Nanoteller , elektrolit ile temas halindeki mevcut yüzey alanı miktarını artırarak, böylece anotun güç yoğunluğunu artırarak ve daha hızlı şarj ve daha yüksek akım iletimi sağlayarak bu özellikleri iyileştirebilir . Bununla birlikte, pillerde silikon anotların kullanımı, lityumlama sırasında hacim genişlemesi ile sınırlandırılmıştır . Silikon , şarj sırasında lityumun arasına girdiği için %400 şişer ve bu da malzemenin bozulmasına neden olur. Bu hacim genişlemesi, anizotropik olarak meydana gelir ve hareket eden bir litiasyon cephesini hemen takip eden çatlak yayılımından kaynaklanır. Bu çatlaklar, pulverizasyona ve ilk birkaç döngüde farkedilen önemli kapasite kaybına neden olur.

Kasavajjula ve ark. tarafından hazırlanan kapsamlı 2007 İnceleme Makalesi. lityum iyon ikincil hücreler için silikon bazlı anotlar üzerine yapılan erken araştırmaları özetler. Özellikle, Hong Li ve diğerleri, 2000 yılında, lityum iyonlarının silikon nanoparçacıklar ve silikon nanotellere elektrokimyasal olarak eklenmesinin, amorf bir Li-Si alaşımının oluşumuna yol açtığını gösterdi. Aynı yıl, Bo Gao ve doktora danışmanı Profesör Otto Zhou, en az yaklaşık 900 ila 1500 mAh/g arasında değişen tersinir kapasiteye sahip silikon nanotellerden oluşan anotlarla elektrokimyasal hücrelerin döngüsünü tanımladı.

Stanford Üniversitesi'nde yapılan araştırmalar, doğrudan akım toplayıcı üzerinde ( VLS büyütme yöntemleri aracılığıyla) büyütülen silikon nanotellerin (SiNW'ler) hacim genişlemesiyle ilişkili olumsuz etkilerin üstesinden gelebildiğini gösteriyor. Bu geometri birçok avantaja sahiptir. Birincisi, nanotel çapı, kırılma olmadan litiasyon sırasında hacim değişikliklerinin daha iyi uyum sağlamasına izin verir. İkinci olarak, her bir nanotel, mevcut toplayıcıya, her biri toplam kapasiteye katkıda bulunabilecek şekilde bağlanır. Üçüncüsü, nanoteller yük aktarımı için doğrudan yollar; parçacık bazlı elektrotlarda, yükler parçacıklar arası temas alanlarında gezinmeye zorlanır (daha az verimli bir süreç). Silikon nanoteller, diğer silikon formlarının kapasitesinden daha büyük olan, kabaca 4.200 mAh g^-1 teorik kapasiteye sahiptir. Bu değer 372 mAh g teorik kapasiteye sahip grafit üzerinde önemli bir gelişme gösterir ^ -1 LIC, tam lityumlaştırılmış halde 6 .

Ek araştırmalar, malzemeyi kararlı bir katı elektrolit ara fazı (SEI) oluşturacak şekilde stabilize etmeye yardımcı olan silikon nanoteller üzerine karbon kaplamaların yerleştirilmesini içeriyordu. SEI, pilde meydana gelen elektrokimyanın kaçınılmaz bir yan ürünüdür; oluşumu, elektriksel olarak yalıtkan bir faz olduğu için (iyonik olarak iletken olmasına rağmen) pildeki kapasitenin azalmasına katkıda bulunur. Ayrıca birden fazla pil döngüsü boyunca çözülebilir ve yeniden şekillendirilebilir. Bu nedenle, pil kullanıldıkça devam eden kapasite kaybını önlemek için kararlı bir SEI tercih edilir. Silikon nanoteller üzerine karbon kaplandığında, 200 döngüden sonra ilk kapasitenin %89'unda kapasite tutulması gözlemlenmiştir. Bu kapasite tutma, günümüzdeki grafit anotlarınkiyle aynıdır.

Bir tasarım, silikon nanotellerle kaplı paslanmaz çelik bir anot kullanır . Silikon , grafitten on kat daha fazla lityum depolayarak artan enerji yoğunluğu sunar . Geniş yüzey alanı, anotun güç yoğunluğunu arttırır , böylece hızlı şarj ve yüksek akım dağıtımına izin verir. Anot, 2007 yılında Stanford Üniversitesi'nde icat edildi .

Eylül 2010'da araştırmacılar, ilk depolama kapasitesinin yüzde 80'inin üzerinde tutan 250 şarj döngüsü gösterdi. Bununla birlikte, bazı çalışmalar, Si nanotel anotlarının, daha fazla şarj döngüsü ile enerji kapasitesinde önemli bir azalma gösterdiğine işaret etti; bu, litiasyon işlemi sırasında silikon nanotellerin hacimsel genişlemesinden kaynaklanır . Araştırmacılar bu sorunu çözmek için pek çok çözüm önerdiler: 2012'de yayınlanan sonuçlar nanotel anoda doping katışıklarının pil performansını iyileştirdiğini gösterdi ve fosfor katkılı Si nanotellerin bor ve katkısız nanotel elektrotlarla karşılaştırıldığında daha iyi performans gösterdiği bulundu ; Araştırmacılar ayrıca , kaplama olarak silikon oksit iyon geçirgen tabakaya sahip çift ​​duvarlı bir silikon nanotüpün içine nominal olarak katkısız bir silikon anot yerleştirerek 6.000'den fazla kez döngü yaptıktan sonra ilk kapasitenin %85'ini sürdürme olasılığını da gösterdiler .

Silikon nanotel tabanlı pil hücresi, aynı zamanda giyilebilir teknolojik cihazların geliştirilmesine de yol açacak boyutsal esnek enerji kaynağı için fırsat sağlar. Rice Üniversitesi'nden bilim adamı, bir polimer matrisi içinde silikon nanotel etrafına gözenekli bakır nanokabuklar yerleştirerek bu olasılığı gösterdi. Bu lityum-polimer silikon nanotel pil (LIOPSIL), 3.4V'luk yeterli bir tam hücre voltajına sahiptir ve mekanik olarak esnek ve ölçeklenebilirdir.

Ticarileştirmenin başlangıçta 2012'de gerçekleşmesi bekleniyordu, ancak daha sonra 2014'e ertelendi. İlgili bir şirket olan Amprius, 2013'te silikon ve diğer malzemelerle ilgili bir cihaz gönderdi. Canonical , 22 Temmuz 2013'te Ubuntu Edge akıllı telefonunun bir silikon anotlu lityum iyon pil.

Germanyum

Germanyum nanotel kullanan bir anotun , lityum iyon pillerin enerji yoğunluğunu ve döngü dayanıklılığını artırma yeteneğine sahip olduğu iddia edildi. Silisyum gibi, germanyum da yüksek bir teorik kapasiteye (1600 mAh g-1) sahiptir, şarj sırasında genişler ve az sayıda döngüden sonra parçalanır. Bununla birlikte, germanyum, lityumun araya girmesinde silikondan 400 kat daha etkilidir ve bu da onu çekici bir anot malzemesi haline getirir. Anotlar, 20-100C deşarj oranlarında bile 1100 döngüden sonra 900 mAh/g kapasitelerini koruduğunu iddia etti. Bu performans, mekanik olarak sağlam, sürekli gözenekli bir ağ oluşturmak için ilk 100 döngü içinde meydana gelen nanotellerin yeniden yapılandırılmasına bağlandı. Bir kez oluşturulduktan sonra, yeniden yapılandırılmış anot bundan sonra döngü başına kapasitenin yalnızca %0.01'ini kaybeder. Malzeme, bu ilk döngülerden sonra toz haline getirmeye dayanabilen kararlı bir yapı oluşturur. 2014 yılında araştırmacılar, sulu bir çözeltiden germanyum nanotelleri üretmenin basit bir yolunu geliştirdiler .

Geçiş metal oksitleri

Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , MnO 2 , Co 3 O 4 ve PbO 2 gibi geçiş metal oksitleri (TMO), lityum iyon pil (LIB) ve diğer geleneksel hücre malzemelerine göre anot malzemeleri olarak birçok avantaja sahiptir. pil sistemleri. Bazıları yüksek teorik enerji kapasitesine sahiptir ve doğal olarak bol miktarda bulunur, toksik değildir ve aynı zamanda çevre dostudur. Nano yapılı pil elektrotu kavramı tanıtıldığından, deneyciler elektrot malzemeleri olarak TMO tabanlı nanotellerin olasılığını araştırmaya başlar. Bu kavramla ilgili bazı yeni araştırmalar aşağıdaki alt bölümde tartışılmaktadır.

kurşun oksit anot

Kurşun asitli pil , en eski şarj edilebilir pil hücresi türüdür. Hücre üretimi için hammadde (PbO 2 ) oldukça erişilebilir ve ucuz olmasına rağmen , kurşun-asit pil hücreleri nispeten küçük özgül enerjiye sahiptir. Çalışma döngüsü sırasında macun kalınlaştırma etkisi (hacimsel genleşme etkisi) elektrolitin etkin akışını da engeller. Bu problemler, hücrenin bazı enerji yoğun görevleri gerçekleştirme potansiyelini sınırladı.

2014 yılında deneyci , basit şablon elektrodepozisyon yoluyla PbO 2 nanotelini başarıyla elde etti . Bu nanotelin kurşun asit pil için anot olarak performansı da değerlendirildi. Büyük ölçüde artmış yüzey alanı nedeniyle, bu hücre 190 mAh g hemen hemen sabit bir kapasite sunmak mümkün -1 da 1000 devirden sonra. Bu sonuç, PbO, bu nano yapılı gösterdi 2 , normal kurşun-asit anot için oldukça umut verici yerine kullanılabilir.

manganez oksit

MnO 2 , yüksek enerji kapasitesi, toksik olmaması ve maliyet etkinliği nedeniyle elektrot malzemeleri için her zaman iyi bir aday olmuştur . Bununla birlikte, şarj/deşarj döngüsü sırasında kristal matrise lityum iyonunun eklenmesi, önemli hacimsel genişlemeye neden olacaktır. Çalışma döngüsü sırasında bu etkiye karşı koymak için, bilim adamları yakın zamanda , LIB için anot malzemeleri olarak nominal bir Li 2 MnO 3 stokiyometrisine sahip Li ile zenginleştirilmiş bir MnO 2 nanotel üretme fikrini önerdiler . Bu yeni önerilen anot malzemeleri, pil hücresinin 500 döngüden sonra bile 500 mA akım yoğunluğunda 1279 mAh g- 1 enerji kapasitesine ulaşmasını sağlar . Bu performans, saf MnO 2 anot veya MnO 2 nanotel anot hücrelerinin performansından çok daha yüksektir .

Heterostrüktür TMO'ları

Farklı geçiş metal oksitlerinin hetero -bağlantısı bazen LIB'lerin daha kapsamlı bir performansının potansiyelini sağlar.

2013 yılında araştırmacılar hidrotermal yöntemi kullanarak dallı bir Co 3 O 4 / Fe 2 O 3 nanotel heteroyapısını başarıyla sentezlediler . Bu heteroeklem , LIB hücresi için alternatif bir anot olarak kullanılabilir. Çalışma sırasında Co 3 O 4 daha verimli bir iyonik taşımayı desteklerken, Fe 2 O 3 yüzey alanını artırarak hücrenin teorik kapasitesini artırır. 980 mAh g -1 gibi yüksek bir tersine çevrilebilir kapasite bildirildi.

Heterojen ZnCo 2 O 4 / NiO nanotel dizileri anot üretme olasılığı da bazı çalışmalarda araştırılmıştır. Bununla birlikte, bu malzemenin anot olarak etkinliği henüz değerlendirilmemiştir.

Altın

2016 yılında , California Üniversitesi'ndeki araştırmacılar , Irvine , nanotellerde herhangi bir kırılma olmaksızın 200.000'den fazla şarj döngüsü yapabilen bir nanotel malzemesinin icadını duyurdular. Teknoloji, çoğu uygulamada asla değiştirilmesi gerekmeyen pillere yol açabilir. Altın nanotellerdir bir güçlenir mangan dioksit bir pleksiglas gibi kaplı kabuk jel elektrolit . Kombinasyon güvenilir ve arızaya karşı dayanıklıdır. Bir test elektrodunu yaklaşık 200.000 kez döndürdükten sonra, herhangi bir kapasite veya güç kaybı veya herhangi bir nanotelde kırılma meydana gelmedi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar