Pii litiumakun anodimateriaalina

Abstract

Litiumioniakut ovat keskeinen osa nykyaikaista energian varastointiteknologiaa, mutta niiden suorituskykyä rajoittaa yleisesti käytetyn grafiittianodin alhainen kapasiteetti (372 mAh/g). Pii on noussut lupaavaksi anodimateriaaliksi sen korkean teoreettisen kapasiteetin (4200 mAh/g), matalan purkautumispotentiaalin ja runsaan saatavuutensa ansiosta. Tutkielmassa tarkastellaan piin soveltuvuutta litiumakun anodimateriaaliksi sekä siihen liittyviä haasteita. Suurimpana haasteena piin käytössä on sen suuri tilavuuden muutos lataus- ja purkausjaksojen aikana, mikä aiheuttaa elektrodin mekaanista hajoamista ja kapasiteetin heikkenemistä. Lisäksi litiumin ja piin välinen reaktio johtaa epävakaan SEIkerroksen (solid electrolyte interphase) muodostumiseen, mikä heikentää akun syklistä kestävyyttä. Tutkielmassa käydään läpi useita ratkaisumalleja näiden haasteiden hallintaan. Nanorakenteet, kuten ohutkalvot, nanolangat ja nanopartikkelit, voivat lieventää tilavuuden muutosten aiheuttamia rasituksia ja parantaa elektrodin palautuvuutta. Lisäksi tarkastellaan erilaisia piin ja hiilen muodostamia komposiitteja, kuten yolkshell-rakenteita ja hiilinanoputkikomposiitteja, jotka lisäävät johtavuutta ja mekaanista vakautta. Lopuksi käsitellään täyskennorakenteita, joissa piianodi yhdistetään kaupallisiin katodimateriaaleihin käytännön suorituskyvyn arvioimiseksi.